Топологические состояния высокого порядка в резонансных структурах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-72-10065

НазваниеТопологические состояния высокого порядка в резонансных структурах

Руководитель Горлач Максим Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №50 - Конкурс 2020 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова топологические состояния, нанофотоника, резонансные электрические сети

Код ГРНТИ29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проблемы полностью оптической передачи, обработки и хранения информации требуют разработки новых методов и подходов к управлению распространением и локализацией света на наномасштабе. При этом одной из принципиальных проблем в работе оптических чипов является рассеяние света на дефектах, неизбежно возникающих в процессе изготовления оптических наноструктур. Перспективный способ преодоления нежелательного рассеяния открывает фундаментальная концепция фотонных топологических состояний. Существование таких состояний определяется глобальными свойствами структуры и не зависит от наличия локальных дефектов, а направление распространения однозначно связано с поляризацией. В итоге рассеяние топологических состояний на дефектах оказывается сильно подавленным. На сегодняшний день фотонные топологические состояния реализованы экспериментально в широком спектральном диапазоне, от радиочастотного до видимого, и продемонстрированы их уникальные свойства, включая однонаправленное распространение. Тем не менее, несмотря на ряд достигнутых прорывных результатов, нерешенным остается вопрос управления топологически защищенным распространением света в трех пространственных измерениях по сложным неплоским траекториям, что позволило бы плодотворно применить концепцию топологических состояний к многослойным оптоэлектронным и полностью оптическим микро- и наноструктурам. В рамках настоящего проекта мы планируем реализовать топологически защищённое распространение света по трёхмерным траекториям, используя недавно предсказанные топологические состояния высокого порядка и разработав стратегию их эффективной реализации в искусственно структурированных средах. В отличие от топологических состояний, исследовавшихся ранее, состояния высокого порядка могут иметь размерность, на несколько единиц меньшую размерности структуры, что открывает возможность создания одномерных распространяющиеся состояний в трёхмерных геометриях или нульмерных локализованных состояний в двумерных образцах. Для достижения этой цели планируется решение следующих конкретных задач: 1. Исследование симметрийно-защищённых топологических состояний высокого порядка в двумерных системах с симметрией С4, возникающих за счет введения различных эффективных констант связи, в том числе между следующими ближайшими соседями, и анализ факторов, определяющих условия существования и степень локализации таких состояний. 2. Исследование топологических состояний, в том числе топологических состояний высокого порядка, в решётках двухмодовых волноводов. За счет специального структурирования волноводов планируется добиться вырождения двух различных мод и за счет гибридизации мод соседних волноводов реализовать топологические состояния для простейшей геометрии решётки из эквидистантных волноводов. 3. Разработка стратегии создания топологических состояний высокого порядка за счет чередующегося в пространстве бианизотропного отклика частиц структуры. При этом эффективный бианизотропный отклик будет обеспечен за счет нарушения симметрии частиц к пространственной инверсии. Также планируется провести исследование условий, определяющих существование топологических состояний в метаматериалах с периодами, существенно меньшими длины волны. 4. Аналоговое моделирование физики пары энионов (частиц с дробной статистикой, промежуточной между бозонами и фермионами) в одномерной модели с взаимодействием между частицами с помощью классической двумерной системы. При этом топологическому состоянию пары взаимодействующих энионов в исходной задаче соответствует топологическое состояние высокого порядка в классической задаче более высокой размерности. 5. Исследование различных путей реализации одномерных топологических состояний, распространяющихся по сложным траекториям в трёх измерениях, и анализ их устойчивости к дефектам различной природы.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бобылев Д.А., Смирнова Д.А., Горлач М.А. Nonlocal response of Mie-resonant dielectric particles PHYSICAL REVIEW B, vol. 102, p. 115110 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevB.102.115110

2. Савельев Р.С., Горлач М.А. Topological states in arrays of optical waveguides engineered via mode interference PHYSICAL REVIEW B, vol. 102, p. 161112(R) (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevB.102.161112

3. Олехно Н.А., Розенблит А.Д., Серегин П.С., Горлач М.А. Statistics-Induced Topological States of Interacting Anyons AIP Conference Proceedings, vol. 2300, p. 020093 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0031727

4. Бобылев Д.А., Смирнова Д.А., Горлач М.А. Nonlocal Dipole Response of Resonant Particles AIP Conference Proceedings, vol. 2300, p. 020010 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0031677

5. Савельев Р.С., Горлач М.А. Engineering Topological States In Two-Mode Waveguide Arrays AIP Conference Proceedings, vol. 2300, p. 020107 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0031935

6. Степаненко А.А., Любаров М.Д., Горлач М.А. Two-photon topological states in the array of qubits caused by the effective photon-photon interaction AIP Conference Proceedings, vol. 2300, p. 020123 (год публикации - 2020)
10.1063/5.0031720

7. Степаненко А.А., Любаров М.Д., Горлач М.А. Topological States in Qubit Arrays Induced by Density-Dependent Coupling Physical Review Applied, vol. 14, p. 064040 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevApplied.14.064040

8. Иванова П.А., Олехно Н.А., Качин В.И., Жирихин Д.В., Серегин П.С., Горлач М.А. Realizing topological corner states in two-dimensional Su-Schrieffer-Heeger model with next-nearest neighbor couplings Journal of Physics: Conference Series, vlo. 1695, p. 012142 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1695/1/012142

9. Вакуленко А., Кирюшечкина С., Ван М., Ли М., Жирихин Д.В., Ни С., Гуддала С., Коробкин Д., Алу А., Ханикаев А.Б. Near-Field Characterization of Higher-Order Topological Photonic States at Optical Frequencies ADVANCED MATERIALS, p. 2004376 (год публикации - 2021)
10.1002/adma.202004376

10. Бобылев Д.А., Смирнова Д.А., Горлач М.А. Photonic Topological States Mediated by Staggered Bianisotropy LASER & PHOTONICS REVIEWS, vol. 15, p. 1900392 (год публикации - 2021)
10.1002/lpor.201900392

11. Беседин И.С., Горлач М.А., Абрамов Н.Н., Цицилин И., Москаленко И.Н., Доброносова А.А., Москалев Д.О., Матанин А.Р. , Смирнов Н.С., Родионов И.А., Поддубный А.Н., Устинов А.В. Topological excitations and bound photon pairs in a superconducting quantum metamaterial Physical Review B, Том 103, вып. 22, стр. 224520 (год публикации - 2021)
10.1103/PhysRevB.103.224520

12. Олехно Н.А., Розенблит А.Д., Качин В.И., Бурмистров О.И., Дмитриев А.А., Серегин П.С., Жирихин Д.В., Горлач М.А. Higher-Order Topological States in the Extended Two-Dimensional SSH Model and Their Electric Circuit Implementation CLEO: QELS_Fundamental Science 2021, стр. FTu1M.5 (год публикации - 2021)
10.1364/CLEO_QELS.2021.FTu1M.5

13. Розенблит А.Д., Олехно Н.А., Дмитриев А.А., Серегин П.С., Горлач М.А. Topological edge states of anyon pairs emulated in electrical circuits Journal of Physics: Conference Series, Вып. 2015, стр. 012127 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2015/1/012127

14. Бобылев Д., Жирихин Д., Тихоненко Д., Вакуленко А., Смирнова Д., Ханикаев А., Горлач М. Tuning of Electromagnetic Topological States via Staggered Bianisotropy 2021 Fifteenth International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena (Metamaterials), Стр. 56 - 58 (год публикации - 2021)
10.1109/Metamaterials52332.2021.9577102

15. Олехно Н.А., Розенблит А.Д., Качин В.И., Дмитриев А.А., Бурмистров О.И., Серегин П.С., Жирихин Д.В., Горлач М.А. Experimental realization of topological corner states in long-range-coupled electrical circuits Physical Review B, том 105, номер 8, стр. L081107 (год публикации - 2022)
10.1103/PhysRevB.105.L081107

16. Лапин М., Горлач М. Current trends and nonlinear effects in multilayered metamaterials—FF-1:IL01 Ceramics International, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.01.037 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ceramint.2023.01.037

17. А. Михин, В Руцкая, Р. Савельев, И. Синев, А. Алу, М. Горлач Coherent Control of Topological States in an Integrated Waveguide Lattice Nano Letters, 23, 6, 2094–2099 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.nanolett.2c04182

18. Шапошников Л., Сахно Д., Бобылев Д.А., Горлач М.А. Effective medium perspective on topological transitions in metamaterials Applied Physics Letters, Appl. Phys. Lett. 121, 201705 (2022) (год публикации - 2022)
10.1063/5.0113051

Публикации