Топологический изолятор отличается тем, что способен проводить электрический ток по поверхности, оставаясь диэлектриком внутри. На поверхности такого изолятора возникает защищенное состояние, в котором на электроны не влияют внешние воздействия и дефекты материала. За счет этого электрический ток бежит однонаправленно без перебоев и потерь.
Ученые изучают топологические изоляторы для электронов уже несколько десятков лет, но для электромагнитных волн аналогичные структуры впервые были описаны только в 2009 году. Первый прототип был довольно громоздким, что ограничивало потенциальные применения. В 2015 году физики из Международного научного центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО совместно с коллегами из Австралийского национального университета первыми экспериментально реализовали компактную топологическую структуру, в которой можно полностью контролировать локализацию света на очень маленьких масштабах.
«Работа началась с исследования одномерной структуры. По сути, это цепочка из нанодисков, в которой электромагнитное поле локализуется на том или ином конце, ‒ рассказывает сотрудник Лаборатории нанофотоники и метаматериалов Алексей Слобожанюк. ‒ Мой коллега Александр Поддубный предложил теоретическую идею, потом мы сделали эксперимент в микроволнах и в оптике совместно с Иваном Синевым и Антоном Самусевым. А в конце года наши исследования впервые попали в Optics and Photonics News. В то время эта тема была совсем новой, о трехмерных изоляторах никто даже не думал. Признание перспективности нашей работы на мировом уровне стимулировало нас дальше развиваться в этом направлении”.
На следующем этапе ученые занялись разработкой двумерных топологических изоляторов. Автором теоретической концепции выступил профессор Городского университета Нью-Йорка Александр Ханикаев. В марте 2016-го была опубликована статья о первой экспериментальной двумерной структуре, сделанной из металлических метаматериалов.
«Сигнал в такой структуре распространялся линейно, не отражаясь на острых углах. Однако из-за поглощения металлов эту концепцию нельзя использовать в оптическом диапазоне частот, ‒ добавляет Алексей Слобожанюк. ‒ Мы задумались об использовании диэлектрических метаматериалов, чтобы избежать потерь, и провели успешный эксперимент на их основе».
Работая над двумерной структурой, ученые выяснили, что устойчивое, изолированное состояние электромагнитной волны сохраняется также в третьем измерении. Детальное теоретическое исследование, опубликованное в Nature Photonics, подтвердило возможность существования 3D-топологических изоляторов.
«Благодаря трехмерным изоляторам мы можем добиться такого поведения электромагнитных волн, которое раньше было технически недостижимо, ‒ утверждает Александр Ханикаев. ‒ На сегодняшний день невозможно создать оптический волновод без дефектов поверхности. Из-за них сигнал постепенно затухает, и в какой-то момент его уже невозможно уловить. С помощью топологических систем мы сможем избежать возникающих оптических потерь».
Ученые уже приступили к экспериментам с трехмерным изолятором и работают над созданием устройств на его основе.
«Экспериментально реализовать трехмерную структуру гораздо сложнее, но Алексей Слобожанюк и его коллеги из Университета ИТМО активно работают над этим. Сейчас Алексей в Австралии готовится получить степень PhD, а затем вернется в Университет ИТМО, чтобы развивать здесь новое научное направление, − рассказывает Юрий Кившарь, соруководитель Центра нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, профессор Австралийского национального университета. − Я поддерживаю его решение. Очень важно, чтобы молодые ученые видели перспективы развития здесь, а не только за рубежом».
Редакция журнала Optics & Photonics News включила исследование 3D-топологических изоляторов в декабрьский номер Optics in 2017. Он освещает 30 лучших работ 2017 года в области оптики и фотоники.
«Optics and Photonics News ‒ обзорный журнал, который считается очень престижным среди ученых. В этом году редакция подчеркнула значение полученных результатов, поместив изображения нашей структуры на передний разворот журнала, ‒ отмечает Алексей Слобожанюк. ‒ Когда работа получает признание, понимаешь, насколько она важна и полезна».
Статья: «Topological Photonics Goes Three-Dimensional», Alexey Slobozhanyuk, Yuri S. Kivshar, Alexander B. Khanikaev. Optics and Photonics News Dec. 1, 2017
