При этом характеристики локализованных состояний могут легко перестраиваться при переворачивании частиц структуры. Полученные результаты важны для создания топологически защищенных резонаторов с частотой, устойчивой к дефектам и неоднородностям структуры. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. Статья опубликована в журнале Laser & Photonics Reviews.

Краевые состояния света

Сейчас набирает обороты тенденция замены электронных устройств фотонными, в которых информация передается при помощи света — это происходит ввиду целого ряда преимуществ, среди которых энергоэффективность, компактность и скорость. Перспективным решением по управлению светом на наномасштабе является концепция топологических состояний света, которые могут распространяться без рассеяния на дефектах и неоднородностях или образовывать локализованные состояния с частотой, устойчивой к различным возмущениям.

Для создания таких состояний, как правило, используют структуры на основе резонансных частиц, составленных в определенную решетку. Симметрии решетки, а также взаимодействия частиц друг с другом и приводят к возникновению краевого состояния на определенной частоте. При этом топологически защищенные состояния возникают лишь для относительно небольшого числа геометрий решетки.

Такой способ обладает рядом ограничений — например, недостатком гибкости в управлении и перестраивании краевых состояний. К тому же, геометрические «рецепты» реализации топологических состояний постепенно себя исчерпывают.

Решение

Модель, предложенная учеными из ИТМО и Австралийского национального университета, основана на идее управления топологическими свойствами системы не с помощью подбора специальной геометрии решетки, а за счет чередования свойств самих частиц. В качестве составных элементов структуры рассматривались резонансные частицы с нарушенной симметрией к отражению, приводящей к эффективному бианизотропному отклику, когда падающее электрическое поле наводит у частицы магнитный момент, а падающее магнитное поле вызывает электрический дипольный отклик.

В микроволновом диапазоне в качестве таких резонансных частиц можно использовать керамические диски, обеспечив их бианизотропию за счет несимметрично расположенной выемки в диске. Чередуя диски с различным положением выемок, можно добиться возникновения краевого состояния. При этом геометрия решетки перестает играть определяющую роль.

«Наша идея в том, что мы переносим весь управляющий функционал с геометрии на сами частицы, добавляя им новое свойство. Например, если это керамические диски — именно их мы рассматривали в своей работе, — мы предлагаем сделать в них выемки, что позволит управлять топологическими состояниями, просто переворачивая эти диски относительно друг друга. В нашей статье мы показали, что в таких структурах действительно появляется краевое состояние света, причем мы можем влиять на степень локализации топологического состояния путем увеличения вырезов или поворота дисков. Если же диски сделаны из какого-либо нелинейного материала, то за счет локализации света нелинейные эффекты будут усиливаться», — рассказывает первый автор статьи Даниил Бобылев, аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО.

Такое решение позволяет не только гибко управлять топологическими состояниями света за счет появления новой степени свободы, но и открывает новые пути в проектировании топологических систем в целом.

Теоретическая модель

На данном этапе ученым удалось теоретически исследовать предложенную ими модель и обнаружить краевые состояния в численном моделировании цепочки из керамических дисков с вырезами. Дальше в планах исследователей — попробовать применить похожую концепцию для двумерных решеток и провести микроволновый эксперимент.

«Нам быстро удалось установить в моделировании практическую реализуемость идеи. Мы применили технику мультипольного разложения для оптимизации дизайна резонансных элементов, характеризующихся бианизотропным откликом, проанализировали электромагнитные топологические краевые моды цепочки таких частиц с чередующейся бианизотропией и возможности их возбуждения в численном эксперименте. В дальнейшем мы планируем использовать наш опыт для создания двумерных топологических метаповерхностей и реализации топологических состояний высокого порядка на основе Ми-резонансных диэлектрических структур», — комментирует соавтор статьи Дарья Смирнова, сотрудник Центра нелинейной физики Австралийского национального университета.

Практическое применение

Благодаря своей высокой стабильности и при этом гибкости в управлении предлагаемый авторами статьи подход может оказаться перспективным для новых технологий поколения 5G или гибких оптоэлектронных устройств. На сегодняшний день ряд групп по всему миру ведут активную работу по созданию базовых компонент таких систем — топологических резонаторов и топологических волноводов.

«В последние годы усилия ряда групп по всему миру направлены на создание топологических резонаторов и волноводов на основе коммерчески доступных недорогих материалов, не требующих для своей работы приложения внешних статических полей. Наш вклад в развитие этого направления состоит в осознании того, что чередующийся в пространстве бианизотропный отклик частиц открывает новые возможности в создании топологически защищенных устройств. Приятно отметить, что наши разработки уже заинтересовали R&D отделы крупных компаний, таких как Bosch и Sony, что стимулирует нас развивать это направление дальше», — заключает руководитель проекта Максим Горлач, старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.

Статья: Daniel A. Bobylev, Daria A. Smirnova, Maxim A. Gorlach. «Photonic Topological States Mediated by Staggered Bianisotropy», Laser & Photonics Reviews, 2020 https://doi.org/10.1002/lpor.201900392