Топологическими изоляторами называют класс материалов, который обладает необычными свойствами: внутри объема 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 защищенном» состоянии: они крайне устойчивы к внешним возмущениям и несовершенствам самого материала — примесям или дефектам. За счет 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, ученые пошли на хитрость, заменив электроны фотонами — квантами электромагнитного излучения. Для этого исследователи конструируют особые структуры — фотонные кристаллы и метаматериалы — которые имеют специально подобранную кристаллическую решетку. Попадая в них, фотон, можно сказать, чувствует себя как электрон. Такие искусственные структуры называют фотонными топологическими изоляторами.
Активная работа с такими структурами ведется последние пять лет. Первыми в России их стали исследовать ученые 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 пройдет, 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 ее 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 ее углам. Таким образом, в обычном топологическом изоляторе у вас есть защищенные волноводы, а здесь у вас образуются защищенные 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, ученым 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 трехмерной структуре.
«Сейчас мы работаем над реализацией топологических состояний высокого порядка в трехмерных геометриях, пытаясь создать трехмерный топологически защищенный волновод. Представьте себе: свет будет распространяться по сложным неплоским трехмерным траекториям в этой структуре, без какого-либо рассеяния на изгибах и притом с эффективной защитой от беспорядка. Это была бы очень яркая физика», — подчеркивает он.
По словам ученого, 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).
