Пресса об РФФИ
Учёные реализовали первый в мире квадрупольный топологический изолятор для фотоники
Сетевое издание ITMO.NEWS (г. Санкт-Петербург), 09.10.2019
Дата публикации: 10.01.2020
Международная группа учёных из России и США, в составе которой – исследователи из Университета ИТМО, представила первую в мире реализацию квадрупольного топологического изолятора для фотоники. В отличие от известных ранее двумерных топологических изоляторов, такие структуры только начали активно изучаться. В перспективе эта работа может открыть путь к созданию надёжных классических и квантово-оптических устройств с топологической защитой высокого порядка, а также топологически защищённых источников классического и квантового света.
Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ).
Топологическими изоляторами называют класс материалов, который обладает необычными свойствами: внутри объёма топологический изолятор является диэлектриком, а ток проводит только тончайший слой на его поверхности. Главная особенность заключается в том, что электроны в этом поверхностном слое находятся в «топологически защищённом» состоянии: они крайне устойчивы к внешним возмущениям и несовершенствам самого материала – примесям или дефектам. За счёт этого электрический ток бежит однонаправленно без перебоев и потерь.
В последнее десятилетие начали разрабатываться идеи, как реализовать подобные состояния и в фотонике. Чтобы расширить класс электронных топологических изоляторов, учёные пошли на хитрость, заменив электроны фотонами – квантами электромагнитного излучения. Для этого исследователи конструируют особые структуры – фотонные кристаллы и метаматериалы – которые имеют специально подобранную кристаллическую решётку. Попадая в них, фотон, можно сказать, чувствует себя как электрон. Такие искусственные структуры называют фотонными топологическими изоляторами.
Активная работа с такими структурами ведётся последние пять лет. Первыми в России их стали исследовать учёные из Университета ИТМО и добились в этом направлении заметных успехов. Их результаты неоднократно публиковались в ведущих мировых журналах. Так, в прошлом году исследователи разработали новый метод исследования топологических структур и топологических фазовых переходов в них (результаты опубликованы в Nature Communications), а годом ранее в журнале Nature Photonics была опубликована статья, где они описали физику 3D-топологических изоляторов.
Фотонные топологические изоляторы перспективны там, где требуется передача электромагнитного сигнала: оптические системы, линии связи. Например, на основе таких систем можно сделать волновод, в котором при любых его изгибах и деформациях, то есть любых изменениях окружающей среды, излучение будет распространяться по нему без рассеяния на дефектах или изгибах. Таким образом, если оптоволоконный кабель повредится, оптический сигнал не пройдёт, но топологический волновод сохранит работоспособность, несмотря на повреждение.
Новый шаг в этой области – изучение топологических изоляторов высокого порядка. Как объясняет соавтор работы Александр Поддубный, сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО, если в обычном двумерном топологическом изоляторе ток бежит только по краям, то в изоляторах высокого порядка такие состояния не распространяются по краям, а локализуются на углах.
«Представьте, что в случае с традиционным топологическим изолятором у вас в центре площадь: по ней ходить запрещено, но по её краю проложена хорошая железная дорога, по которой вы можете ездить очень эффективно. В случае с изолятором высокого порядка вы не можете ходить по площади, ездить по краям, но можете стоять по её углам. Таким образом, в обычном топологическом изоляторе у вас есть защищённые волноводы, а здесь у вас образуются защищённые от беспорядка резонаторы по краям структуры. Такие угловые состояния – это своего рода устойчивые резонаторы, которые очень сложно испортить. Это очень свежая область, ей всего один-два года, и в этой работе нам первыми в мире удалось продемонстрировать возможность создания таких систем», — говорит он.
В новой работе, опубликованной в журнале Nature Photonics, учёным Университета ИТМО в сотрудничестве с научной группой Университета Мэриленда удалось первыми в мире реализовать такие квадрупольные топологические изоляторы высокого порядка в фотонике. Теоретическая часть исследования выполнена в России, эксперименты проводились научной группой в США, которая является одним из лидеров в создании массивов кольцевых волноводов высокого качества.
Как отмечает соавтор работы Максим Горлач, сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО, наиболее логичным продолжением начатой работы может стать реализация топологических состояний высокого порядка в трёхмерной структуре.
«Сейчас мы работаем над реализацией топологических состояний высокого порядка в трёхмерных геометриях, пытаясь создать трёхмерный топологически защищённый волновод. Представьте себе: свет будет распространяться по сложным неплоским трёхмерным траекториям в этой структуре, без какого-либо рассеяния на изгибах и притом с эффективной защитой от беспорядка. Это была бы очень яркая физика», — подчёркивает он.
По словам учёного, на сегодняшний день на физико-техническом факультете сложилась очень слаженная команда из научных сотрудников, аспирантов и студентов, исследующих топологические состояния света.
«Думаю, что нашей команде под силу реализовать новые амбициозные проекты», — резюмирует Максим Горлач.
Статья: Sunil Mittal, Venkata Vikram Orre, Guanyu Zhu, Maxim A. Gorlach, Alexander Poddubny & Mohammad Hafezi, «Photonic quadrupole topological phases», Nature Photonics, vol. 13, pp. 692–696 (2019).
Елена Меньшикова
Источник: ITMO.NEWS
