پژوهشگران امریکایی به همراه دو تن از همکاران ایرانی خود، عایق توپولوژیکی را معرفی کرده اند که به جای الکترون‌ها، این‌بار "نور" در داخل آن منتشر نشده و تنها در سطح ماده انتشار می‌یابد.

عایق‌های توپولوژیک حالت‌های جدیدی از مواد هستند به‌طوریکه خواص الکتریکی آنها توسط  تقارن وارون-زمان حفظ  می‌شود. خاصیت بارز این‌گونه مواد وجود کانالهای الکترونی پلاریزه درسطح آن‌ها می‌باشد که امکان جایگزیدگی برای آن‌ها ممکن نیست. این حالت‌ها به‌طور نظری ابتدا در گرافین پیش بینی شدند [٢،١]. ولی از آنجا که برهمکنش اسپین-مدار، که عامل اصلی در وارونگی نوارهای انرژی و سپس توسعه نظم توپولوژیک در سیستم می باشد، در گرافین بسیار ضعیف است، این حالتها به‌طور تجربی قابل مشاهده در گرافین نیستند. اما وجود حالت‌های توپولوژیکی در سیستم‌های ٢ بعدی دیگری نظیر چاه‌های کوانتومی (HgTe/CdTe) ابتدا به‌صورت نظری و سپس تجربی اثبات شده است [٤،٣]. تفاوت بارز این عایق‌های توپولوژیک جدید با اثر کوانتومی هال در این است که در آن‌ها تقارن وارون-زمان حفظ می شود. از سویی دیگر عایق‌های توپولوژیک جدید در سیستم‌های ٣ بعدی هم وجود دارند که نمونه‌ی بارز آن (BiSe,BiTe) می‌باشد، که اولین مثال تجربی از سیستم‌های ٣ بعدی دارای نظم توپولوژیک هستند[٥]. 
علیرغم  پیشرفت‌ها دریافتن عایق‌های توپولوژیک در سیستم‌های الکترونی، موانع  بسیاری بر سر راه وجود دارند. یکی از این موانع یافتن سیستم‌هایی با برهم‌کنش اسپین-مدار قوی می باشد. توسعه‌ی این حالت‌های توپولوژیک به سیستم‌های فوتونیک دارای اهمیت زیادی می باشد. بر خلاف الکترون‌ها، فوتون‌ها با هم برهمکنش ندارند و خواص  بلورهای فوتونی به راحتی قابل کنترل هستند. در پژوهش اخیر که با همکاری دو تن از پژوهشگران کشورمان، سید حسین موسوی و مهدی کارگریان، صورت پذیرفته و در مجله‌ی نیچرمتریال به چاپ رسیده است، به طور نظری  وجود حالت‌های توپولوژیک در بلورهای فوتونی اثبات شده است [٦]. این بلورها قابل طراحی هستند. ترکیب خطی مناسبی ازحالت‌های فوتونی الکتریکی و مغناطیسی عرضی را می‌توان به‌صورت حالت‌های شبه اسپینی کد کرد. سپس برهم‌کنش مؤثر اسپین-مدارِ القا شده توسط آرایه‌ای از فرابلورها با پذیرفتاری الکتریکی و مغناطیسی مناسب، حالت‌های پلاریزه فوتونی را با تکانه (بردار موج)  فوتون‌ها جفت می کند. نتیجه‌ی این جفت‌شده‌گی ایجاد گاف انرژی در پاشندگی فوتون‌ها در بلور می‌باشد. بنابراین بلور به یک عایق تبدیل می‌شود که نور در داخل آن منتشر نمی‌شود. این عایق یک "عایق توپولوژیک-فوتونیک" است که ساختار پاشندگی فوتون‌ها توسط ناورداهای توپولوژیک غیر بدیهی توصیف می‌شود. نتیجه‌ی این ناورداها انتشار امواج نوری با پلاریزاسیون مشخص روی سطح بلور می‌باشد. این مدهای سطحی فیلتر شده هستند به‌طوریکه مدها با پلاریزاسیون مشخص در جهت-های مختلف انتشار می یابند و هرگز از موانع و بی‌نظمی‌ها پس‌پراکنده نمی‌شوند و حالت آن‌ها تغییر نمی‌کند. وجود چنین مدهای  فیلتر شده‌ی مقاوم می‌تواند کاربردهای زیادی در تکنولوژی‌های مبتنی بر قطعات اپتیکی، طراحی کانال‌های انتقال اطلاعات و کامپیوترهای کوانتومی داشته باشد. 

منبع:
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3520.html

مراجع:  
[1] C. L. Kane and E. J. Mele, Phys. Rev. Lett., 95, 146802 (2005).

[2] C. L. Kane and E. J. Mele, Phys. Rev. Lett., 95, 226801(2005).

[3] B. A. Bernevig, T. L. Hughes, and S.-C. Zhang, Science 314, 1757 (2006).

[4] M. Konig, S. Wiedmann, C. Brone, A. Roth, H. Buhmann, L. W. Molenkamp, X.-L. Qi, and S.-C. Zhang, Science, 318, 766 (2007).

[5] M. Z. Hasan and C. L. Kane, Rev. Mod. Phys., 82, 3045 (2010).

[6] Alexander B. Khanikaev, S. Hossein Mousavi, Wan-Kong Tse, Mehdi Kargarian, Allan H. MacDonald, and Gennady Shvets, Nature Materials advance online publication, (2012).