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.
Физикам из Университета ИТМО удалось создать аналог такого материала, у которого топологически защищены не электроны, а электромагнитные волны. Они предположили, что для получения необходимого эффекта электромагнитная волна должна падать на массив из резонансных частиц, выстроенных определенным образом — в виде зигзага. В частицах возбуждаются резонансы с электрическими полями, перпендикулярными друг другу, и благодаря их взаимодействию волны локализуются на краях структуры. Изменяя поляризацию падающей волны, можно выборочно управлять пространственным распределением электромагнитного поля, то есть появляется возможность «зажигать» тот или иной край (или оба сразу).
«Современные технологии стремятся к уменьшению габаритов. Чем меньше структуры, которые мы создаем, тем важнее роль их краев и краевых состояний. Сейчас говорят о том, что будущее за оптическими вычислениями, а, чтобы они реально работали, нам необходимо, чтобы коммуникации были устойчивыми. Вы отправляете сигнал 0 или 1, и нужно, чтобы пришел 0 или 1, а не что-нибудь другое. Важно, чтобы ничего не „потерялось“ по дороге и при этом работало на наномасштабе, — рассказывает автор оригинальной теоретической идеи, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Александр Поддубный. — Допустим, у вас есть чип, в нем — два источника электромагнитных волн. Если расстояние между ними меньше длины самой волны, то они будут создавать друг другу помехи, и это накладывает сильное ограничение на уменьшение размеров. Исследования топологически защищенных состояний призваны решить эту проблему, так как с их помощью система может стать внутренне устойчивой к несовершенствам».
Первая статья с теоретическим описанием идеи была опубликована в 2014 году в научном журнале ACS Photonics: работа была особенно отмечена редакцией и помещена на обложку февральского номера. Далее ученые приступили к экспериментальной проверке идеи в двух диапазонах частот — микроволновом (подробности читайте здесь — прим. ред.) и оптическом. В качестве резонансных частиц для микроволнового эксперимента были выбраны керамические сферы, а для опыта с волнами оптического диапазона структура была собрана из золотых нанодисков. Научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Иван Мухин синтезировал их с помощью метода электронной литографии.
Уникальность работы заключается также в том, что исследователям впервые удалось наблюдать субволновые краевые состояния, размер которых меньше длины волны света. Для этого была использована методика сканирующей ближнепольной оптической микроскопии. Как рассказывает научный сотрудник кафедры нанофотоники Антон Самусев, это также вызвало дополнительные сложности. Диаметр резонансных частиц для опыта с видимым излучением составлял всего 250 нанометров, и нужно было зарегистрировать наличие эффекта, не повлияв на электромагнитные свойства структуры.
«Если мы ставим эксперимент с микроволнами, то сам процесс измерения на его ход не влияет. Мы можем поднести зонд к структуре и спокойно измерять поля вблизи нее, так как структура намного больше зонда. На наноразмерах все иначе: иголочка-зонд будет сравнима по размерам с самой структурой, и трудно заранее сказать, как ее присутствие повлияет на результаты. Нам удалось увидеть эффект, который мы искали, и это дополнительно подтвердило существование топологически защищенных состояний, несмотря на все наши попытки „испортить им жизнь“», — поясняет аспирант кафедры нанофотоники Иван Синев.
Идея предложить материал Optics & Photonics News пришла в августе 2015 года, добавляет аспирант Алексей Слобожанюк. В итоге редакция журнала приняла решение включить исследование в список лучших работ 2015 года.
«В декабрьский номер журнал Optics & Photonics News отобрал двадцать лучших работ года, и наше исследование вошло в их число. Для нас очень важно это достижение, так как 2015 год был объявлен Годом света и световых технологий», — комментирует Алексей Слобожанюк.
Отметим, что оптические топологические изоляторы могут найти практическое применение в оптических чипах, линиях связи и квантовых компьютерах. Это первая экспериментальная работа по электромагнитным топологическим изоляторам в России. Кроме специалистов Университета ИТМО, данное направление в стране развивает только группа профессора Евгения Ивченко в ФТИ им. А.Ф. Иоффе.
