Большинство материалов можно отнести к проводникам или изоляторам: они или пропускают электрический ток, или нет. Но есть и те, что проводят только в тонком слое по поверхности, – топологические изоляторы. Самое необычное их свойство в том, что проходящий ток устойчив к любым примесям и дефектам материала и «бежит» без потерь. Эту особенность называют топологически защищенным краевым состоянием.
Топологические изоляторы, которые будут проводить не ток, а «защищенные» электромагнитные волны, изменят развитие оптических технологий. В современном оптоволокне и в оптических волноводах сигнал распространяется в основном по прямой и рассеивается в случае изгибов или дефектов. В волноводе из материала, поддерживающего топологически защищенные краевые состояния, свет сможет огибать препятствия и распространяться без потерь, несмотря на дефекты на пути распространения.
Предыдущие исследования показали, что электромагнитными аналогами классических топологических изоляторов в определенном режиме могут быть фотонные кристаллы из ферритовых стержней (ферриты – это магнитные материалы из оксидов железа и других металлов). Однако экспериментальные установки с ферритовыми стержнями, во-первых, очень громоздкие – достигают нескольких метров в высоту. Во-вторых, в них можно создавать топологически защищенные краевые состояния только в микроволновом частотном диапазоне. В оптическом диапазоне, то есть в диапазоне видимого и ближнего инфракрасного света, у магнитных материалов очень слабый отклик.
Новое решение для создания топологически защищенных краевых состояний в оптическом диапазоне нашел Александр Ханикаев, профессор Городского университета Нью-Йорка (США). Он первым предположил, что топологические краевые состояния можно создать в метаматериалах. Так называют искусственные вещества с уникальными электромагнитными свойствами. В них могут имитироваться свойства электронов в твердых телах, такие как спин (собственный магнитный момент электрона), и действующие на них синтетические поля. Более того, можно создать метаматериал, расстояние между элементами которого (так называемыми «мета-атомами») будет намного меньше, чем длина волны нужного диапазона. В экспериментах с магнитными фотонными кристаллами это было невозможно. Потому устройства на основе метаматериалов могут быть не только функциональными, но и достаточно компактными.
Концепцию Александра Ханикаева подтвердил международный коллектив физиков из России, США и Австралии, эксперименты проводились на базе Университета ИТМО. Впервые топологически защищенные краевые состояния продемонстрировали в метаматериале на основе металлов. Однако с последними нельзя работать в оптическом диапазоне из-за большого поглощения света. Поэтому для следующего эксперимента использовали диэлектрический метаматериал, точнее метаповерхность – один слой искусственной структуры.
Метаповерхность состояла из основы, на которой в строгом порядке закрепили мета-атомы, сделанные из керамических дисков. Их расположили так, чтобы расстояния между ними оказались меньше длины волны видимого света. Все мета-атомы были сделаны одинаково, но повернуты по-разному: в одной части структуры ориентированы вверх, а в другой – вниз. На границе между этими частями – доменной стенке – и возникали топологически защищенные краевые состояния.
Так как исследователи стремились проверить концепцию наличия топологически защищенных краевых состояний в диэлектрических метаповерхностях, эксперимент проводился не в оптическом диапазоне, где пришлось бы работать с наномасштабными элементами, а в более простом варианте, с излучением в микроволновом диапазоне. Гипотеза подтвердилась: при возбуждении электромагнитной волны на доменной стенке метаповерхности формировалось краевое состояние. Физики показали, что доменная стенка может проходить не по прямой линии, а зигзагом, и топологически защищенное краевое состояние все равно распространяется по стыку двух типов метаповерхности не отражаясь. Подобная структура в оптическом диапазоне может стать основой для «защищенных» оптических приборов.
«Нам удалось показать, что можно создать диэлектрическую метаповерхность, поддерживающую топологически защищенные краевые состояния, – говорит ведущий автор исследования, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Алексей Слобожанюк. – На основе этой работы мы уже разработали новый эксперимент с мета-атомами более простой формы, которую будет проще повторить в наномасштабах. Так можно реализовать новые оптические устройства, поддерживающие защищенные краевые состояния в оптическом диапазоне».
Топологические фотонные состояния открывают большие перспективы для управления электромагнитными волнами.
«Сама возможность имитировать явления, которые ранее считались присущими только электронным твердотельным системам, показывает значительный потенциал развития фотоники метаматериалов с синтетическими степенями свободы, – отмечает руководитель проекта Александр Ханикаев. – В нашей работе мы экспериментально показали, что псевдо-спин волна в метаматериале позволяет контролировать направление возбуждения и распространения краевого состояния. То есть оно оказывается не только защищенным, но и управляемым. При масштабировании нашей структуры для работы в ближнем инфракрасном диапазоне оптических телекоммуникаций топологические состояния станут идеальными кандидатами для приложений в интегральной фотонике».
В исследовании участвовали также ученые из Городского университета Нью-Йорка, Университета Техаса в Остине (США) и Австралийского национального университета.
