Топологическими изоляторами называют материалы, которые проводят ток только на своей поверхности, а внутри остаются диэлектриками. При этом электроны на такой поверхности устойчивы к внешним возмущениям и каким-либо дефектам самого материала. Ранее ученые из Университета ИТМО создали аналог такого материала, у которого топологически защищены не электроны, а электромагнитные волны. Для этого электромагнитная волна должна падать на массив из специально изготовленных резонансных частиц, выстроенных определенным образом. В такой структуре электромагнитные волны распространяются только на краях структуры и затухают вглубь.
«Когда мы говорим о топологическом изоляторе в одномерном пространстве, это значит, что есть некая цепочка, где топологически защищенные состояния возникают только на ее концах. В двумерном пространстве мы наблюдаем одномерные “границы”, то есть линии, по которым и бежит электромагнитная волна или электроны, и возникают уже топологически защищенные краевые состояния. В трехмерном же измерении границами изоляторов становятся уже двумерные объекты, поверхности или доменные стенки, в результате чего возникают защищенные поверхностные состояния», – объяснил, что значит 3D-топологический изолятор профессор Городского университета Нью-Йорка Александр Ханикаев.
Удивительные свойства 3D-топологических изоляторов были описаны международной группой ученых в журнале Nature Photonics, первым автором выступил аспирант Университета ИТМО Алексей Слобожанюк, соавторами, кроме Александра Ханикаева, стали сотрудник Университета Техаса в Остине Хуссейн Мусави, сотрудники Городского университета Нью-Йорка Жанг Ни и Дарья Смирнова, а также Юрий Кившарь, профессор Австралийского национального университета и Университета ИТМО. Ученым удалось смоделировать такую систему, в которой фотоны начинают вести себя как релятивистские электроны (те, что движутся со скоростями, близкими к скорости света), то есть описываться теми же уравнениями, подчиняться тем же физическим законам.
![Александр Ханикаев](/news_plugs/6.png)
Для того чтобы заставить фотон вести себя как электрон, ученые использовали искусственные электромагнитные «атомы». Каждый атом спроектирован таким образом, что, когда они упорядочены в периодическую решетку, фотоны в ней приобретают спин, подобный спину электронов. Таким образом, фотоны, двигаясь от одного резонатора к другому, приобретают дополнительные характеристики, им не свойственные. Обычно в фотонных системах спин фотона, то есть его поляризация, имеет направление либо вдоль, либо перпендикулярно направлению распространения (так называемые TE и TM моды) для разных волн. В системе же 3D-топологического изолятора для одной и той же волны спин может иметь два состояния одновременно, в результате чего к нему можно применять физику, свойственную релятивистским электронам. Более того, фотон приобретает эффективную массу, которая в обычных условиях равна нулю.
«Мы получаем совершенно новую физику, которую раньше невозможно было представить в таких синтетических и реализуемых на практике системах, как топологические изоляторы. Формализм, который был развит в физике твердого тела, мы обобщили и применяем в электромагнитных системах. Это стало возможно за счет использования концепции метаматериалов. В данный момент мы работаем над микроволновой реализацией 3D-топологического изолятора», – сказал Александр Ханикаев.
При этом можно разрабатывать разные структуры 3D-топологических изоляторов под разные приложения, в зависимости от используемой длины электромагнитной волны. Наиболее перспективная сфера использования таких систем – это интегрированные оптические системы и линии связи. В таких каналах коммуникации сигнал сможет распространяться не только прямолинейно, но и в разные стороны в зависимости от изгибов волновода, и при этом он не будет испытывать отражений и энергетических потерь.
Сигналом можно будет управлять с помощью изменения поляризации волны, то есть изменением направления ее колебаний. Обычно поляризацию магнитного поля игнорируют, но в 3D-топологических изоляторах контролируются обе компоненты электромагнитной волны, за счет чего добиваются большего контроля над сигналом. Искусственные атомы, которые используются в 3D-топологических изоляторах, являются резонаторами не только для электрических, но и магнитных полей.
В теории, поляризацией в 3D-топологических изоляторах можно будет управлять динамически, то есть при необходимости менять направление движения сигнала без изменения физической конструкции волноводов или оптико-электронных схем. Делать это можно будет, например, за счет электронного допинга в полупроводниках или графене, когда в систему добавляются электроны, и за счет этого меняются ее свойства. Также, наделяя фотонные топологические изоляторы нелинейными свойствами, можно менять их свойства, изменяя интенсивность самой проходящей волны.
![Алексей Слобожанюк](/news_plugs/2.png)
«Трехмерные топологические изоляторы можно будет использовать и в оптических чипах. Их можно представить как многоканальные автомобильные магистрали. Топологический изолятор за счет поверхностных состояний может позволить синхронизировать между собой, например, два слоя оптического чипа с помощью одного электромагнитного сигнала, который будет перемещаться от одного слоя к другому», – добавил аспирант Алексей Слобожанюк.
Использование 3D-топологических изоляторов позволит также упростить создание систем приема-передачи сигнала, в которых есть антенны. Обычно между передатчиком и приемником электромагнитных сигналов не может быть еще какой-либо антенны, потому что она будет возмущать проходящее излучение. В трехмерных же системах антенны могут располагаться где угодно, потому что возмущения фотонов не будет происходить, ведь они уже не ведут себя как фотоны. В результате можно будет создавать многоканальное взаимодействие без разнесения сигнала по разным частотам.
«У фундаментальных исследований в области топологических изоляторов есть большой шанс воплотиться в практическом приложении. И это не только устойчивые оптические линии связи. С помощью топологических изоляторов можно управлять и рассеянием света, и интенсивностью взаимодействия фотонных структур со светом. Это важно для создания более надежных и более дешевых в производстве лазеров, ведь обычно лазер очень чувствителен к малейшим дефектам в структуре. А если этого удастся избежать, это позволит повысить эффективность производства таких устройств», – отметил Александр Ханикаев.
В ближайших планах международной группы ученых, описавших систему 3D-топологического изолятора, провести эксперимент для проверки ее работы в области микроволнового излучения. Ведь приложения, которые используют этот тип электромагнитных волн, могут быть достаточно важны: это и мобильные сети, и Wi-Fi. Демонстрация свойств 3D-топологических изоляторов в этой сфере может быть первым шагом к их практическому применению.
Статья: Alexey Slobozhanyuk, S. Hossein Mousavi, Xiang Ni,Daria Smirnova, Yuri S. Kivshar, Alexander B. Khanikaev (2017), Three-dimensional all-dielectric photonic topological insulator, Nature Photonics.