Топология – раздел математики, который изучает свойства объектов, не меняющиеся при их непрерывной деформации. Например, с точки зрения топологии между бубликом и кружкой нет никакой разницы, потому что в них есть по одному отверстию. Несмотря на свою абстрактность, топологические инварианты обусловливают ряд важных наблюдаемых характеристик материи. Это используют для создания новых необычных материалов, с помощью которых, например, можно управлять распространением света без рассеяния на изгибах, дефектах или неоднородностях в оптической системе.
Для обнаружения топологически нетривиальных структур ученые, как правило, сканируют распределение ближнего поля объекта. Иными словами, они собирают излучение объекта, приближаясь к нему на расстояния заметно меньшие, чем длина волны. Полученная карта ближнего поля позволяет сделать выводы о топологии фотонных зон образца. Так, например, можно определить, реализуются ли в объекте краевые топологические состояния и в какой мере они защищены от рассеяния на дефектах и неоднородностях.
Ученые Университета ИТМО вместе с зарубежными коллегами из Городского Университета Нью-Йорка предложили новый метод изучения топологических структур на основе спектроскопии дальнего поля объекта.
«Мы поставили перед собой вопрос: проявляются ли топологические свойства системы в том, как она рассеивает свет на больших расстояниях? – рассказывает Максим Горлач, младший научный сотрудник физико-технического факультета ИТМО. – Чтобы узнать ответ, наши коллеги под руководством Александра Ханикаева разработали и изготовили две двумерные структуры из кремниевых цилиндров с несколько разными геометрическими параметрами. Одна из них была тривиальной, в то время как другая была топологической».
По словам ученых, изготовить такие структуры не так просто. Для этого требуются передовые методы нанофабрикации. Проанализировав спектры полученных образцов, ученые разработали теоретическую модель, описывающую полученные в ходе измерений данные. Она позволяла определить топологический инвариант структуры. Эта модель и легла в основу метода спектроскопии дальнего поля.
«В какой-то момент рецензенты заинтересовались, можно ли подтвердить, что результаты, полученные нами из анализа дальнего поля, согласуются со стандартной техникой исследования ближних полей. Для этого мы провели эксперимент в микроволнах. Мы изготовили метаповерхность из двух частей: тривиальной и топологической. Нашей целью было наблюдение топологического состояния, локализованного на границе между ними. В итоге нам удалось получить полностью диэлектрическую метаповерхность, в которой есть топологически защищенные состояния в микроволновом диапазоне. При этом поляризация краевого состояния оказалась однозначно связанной с направлением его распространения. Эксперимент подтвердил, что наша модель верна, и статью в итоге приняли», – добавляет Дмитрий Жирихин, аспирант физико-технического факультета ИТМО.
Преимущество нового метода в том, что он позволяет исследовать топологию объекта дистанционно.
«Больше не нужно снимать распределение поля прямо на поверхности структуры. Можно издалека понять, есть ли необычные топологические состояния в материале. Кроме того, разрабатывая методику, мы показали, что в топологических структурах могут быть потери энергии, но топологические краевые состояния в них все равно сохраняются, – отмечает Максим Горлач. – Теперь мы планируем применить новый метод для изучения трехмерных топологических изоляторов и надеемся получить новые интересные результаты».
Ранее топологические состояния предлагалось использовать исключительно для защищенной передачи сигналов. Но теперь, по словам ученых, спектр задач, которые могут выиграть от топологического характера фотонных мод, станет гораздо шире.
«Известно, что методы нанофабрикации сами по себе ограничены по точности в силу различных технологических причин и фотонные наноструктуры неизбежно содержат дефекты. Это, в свою очередь, ведет к потерям в эффективности и точности устройств, изготовленных такими методами. К примеру, любой биосенсор, изготовленный при помощи методов нанофабрикации, будет иметь предел в точности измерений, обусловленный исключительно присутствием дефектов. Сейчас, используя топологические состояния в конструкции такого детектора, мы можем значительно повысить его чувствительность и точность, несмотря на наличие структурных дефектов», ‒ отмечает профессор Александр Ханикаев.
Статья: Far-field probing of leaky topological states in all-dielectric metasurfaces. M. A. Gorlach et al. Nature Communications, Mar. 2, 2018.
