Фотонные топологические изоляторы — искусственно созданные кристаллические структуры, проводящие свет по краям, но не пропускающие его в объем. Также они устойчивы к дефектам структуры. Первые конструкции таких изоляторов требовали использования магнитного поля, что осложняло эксперименты. Современные же фотонные топологические структуры не требуют приложения внешнего магнитного поля, а опираются лишь на подбор определенной геометрии кристаллической решетки.
Известный пример подобной структуры ― массив электромагнитных рассеивателей (например кремниевых наноцилиндров), составляющих решетку графена. Если немного изменить геометрию такой кристаллической решетки, то в определенной области частот свет будет распространяться по краю структуры, огибая все препятствия и острые углы без рассеяния назад. Аналогичными свойствами обладает и кристаллическая решетка кагоме ― название она получила от японского способа лозоплетения. В 2020 году группа ученых ИТМО и Городского университета Нью-Йорка обнаружила, что такая структура поддерживает состояния света не только локализованные на краях, но и на углах.
«Мы показали, что в таких решетках кагоме действительно могут существовать топологические угловые состояния, и притом нескольких типов. Происходит это за счет того, что между собой взаимодействуют все элементы системы, а не только ближайшие друг к другу», — комментирует научный сотрудник Нового физтеха ИТМО и один из авторов статьи Дмитрий Жирихин.
Однако перестраивать геометрию решетки в режиме реального времени крайне сложно: после изготовления структуры свойства топологических состояний уже не поменять.
Схематическое изображение структуры на основе решетки кагоме. Расположение топологического состояния обозначено желтым цветом. Иллюстрация предоставлена авторами исследования
Решение проблемы динамической перестройки
Не так давно ученым ИТМО совместно с коллегами из Цзилиньского и Австралийского национального университетов удалось показать, что при использовании нецентросимметричных электромагнитных рассеивателей можно создавать одномерные структуры, топологические свойства которых определяются взаимной ориентацией этих рассеивателей, а не геометрией решетки. Следующим шагом коллектива фронтирной лаборатории стало исследование двумерных структур.
«Принципиальная суть одна и та же — управление свойствами всего массива за счет изменения взаимной ориентации составляющих частиц. Одномерная система поддерживает только краевые состояния, а двумерная поддерживает как краевые, так и угловые. Это добавляет гибкости в управлении светом. Мы взяли за основу не чередование расстояний, а чередование ориентаций. Это может быть удобнее, если мы захотим перестроить некоторые из свойств топологического состояния, например его длину локализации. Мы можем просто повернуть метаатомы, и свойства решетки поменяются», — объясняет автор статьи, аспирант Нового физтеха Даниил Бобылев.
Объединив свои усилия с коллегами из Австралийского национального университета, а также с группой профессора Александра Ханикаева из Городского университета Нью-Йорка, ученым удалось не только теоретически и численно предсказать возникновение и перестройку топологических краевых и угловых состояний за счет чередования ориентаций метаатомов, но и подтвердить эту идею экспериментально.
Распределение поля в зависимости от возбуждения краевых или угловых состояний. Симуляция и эксперимент. Иллюстрация предоставлена авторами исследования
Прочитайте также:
Ученые ИТМО показали простой способ перестройки топологических состояний света
Международный коллектив ученых в ходе эксперимента открыл новое явление в топологической фотонике
Ученые реализовали первый в мире квадрупольный топологический изолятор для фотоники
Планы и перспективы
«На сегодня у фотонных топологических структур есть ряд применений: это топологические волноводы, в которых свет не рассеивается на изгибах, топологические резонаторы с собственной частотой, защищенной от дефектов, и топологические лазеры. Возможность гибкой перестройки свойств топологических структур, показанная нашей командой — это важный шаг на пути к использованию фотонной топологии в будущих метаустройствах», — комментирует руководитель фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов», ведущий научный сотрудник ИТМО и автор статьи Максим Горлач.
В будущем авторы планируют расширить свой подход на трехмерные топологические структуры, что позволит управлять распространением света по сложным трехмерным траекториям. Исследования научного коллектива ведутся при поддержке программы «Приоритет-2030», а также Российского научного фонда.
Статья: Daniel Bobylev, Dmitry Tikhonenko, Dmitry Zhirihin,Maxim Mazanov, Anton Vakulenko, Daria Smirnova, Alexander Khanikaev, Maxim Gorlach. Topological Edge and Corner States Designed via Meta-Atoms Orientation (Laser & Photonics Reviews, 2022).
