Два года назад физики из Университета ИТМО в Санкт-Петербурге и ряд зарубежных ученых создали первый в мире "трехмерный" топологический изолятор, способный управлять движением света.
Под этим словом ученые понимают особый материал, чья поверхность может проводить ток, а его внутренности остаются изоляторами или полупроводниками. Физики достаточно давно пытались приспособить их и для передачи света и прочих электромагнитных волн, однако этому мешали две вещи – громоздкость оптических топологических изоляторов и высокие потери энергии, неизбежно возникавшие в процессе их работы.
В 2015 году российские физики первыми создали двумерную топологическую структуру, взаимодействующую со светом, используя теоретические наработки Александра Ханикаева, профессора Городского университета Нью-Йорка (США), заметившего, что для этих целей подходят так называемые метаматериалы.
Так ученые называют искусственные структуры из множества отдельных кусочков материи или наночастиц, способных необычным образом взаимодействовать со светом или другими формами электромагнитного излучения. Метаматериалы могут изготовляться как из металлов, так и двуокиси кремния и прочих изолирующих веществ, принадлежащих к числу диэлектриков.
Первая версия "трехмерного" материала, созданного Ханикаевым и его коллегами, была собрана из металлических частиц. Она хорошо работала с микроволновым излучением, но не была приспособлена для взаимодействий с видимым светом, чьи лучи сильно нагревали кусочки металла.
По этой причине российские физики и их зарубежные коллеги попытались создать похожую мета-структуру, используя миниатюрные керамические диски, работая в рамках гранта Российского научного фонда. Каждый из них представлял собой своеобразный искусственный атом, с которым взаимодействовал луч света, двигаясь через материал.
Фото: Алексей Слобожанюк с диэлектрической метаповерхностью. Источник: Алексей Слобожанюк
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. Благодаря этому микроволны и видимый свет, распространяющиеся по такой конструкции, будут двигаться без потерь и рассеивания вдоль границ между зонами с разной ориентацией "атомов".
Пока ученые проверили это только на первом типе излучения, однако в ближайшее время они собираются провести и вторую часть эксперимента. Это откроет дорогу для создания компактных, мощных и экономичных оптических приборов на базе окиси кремния и прочих диэлектрических материалов.
"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", — заключает Алексей Слобожанюк, научный сотрудник Университета ИТМО.
