Фотонные топологические изоляторы — искусственно созданные кристаллические структуры, проводящие свет по краям, но не пропускающие его в объем. Также они устойчивы к дефектам структуры. Первые конструкции таких изоляторов требовали использования магнитного поля, что осложняло эксперименты. Современные же фотонные топологические структуры не требуют приложения внешнего магнитного поля, а опираются лишь на подбор определенной геометрии кристаллической решетки.
Известный пример подобной структуры ― массив электромагнитных рассеивателей (например кремниевых наноцилиндров), составляющих решетку графена. Если немного изменить геометрию такой кристаллической решетки, то в определенной области частот свет будет распространяться по краю структуры, огибая все препятствия и острые углы без рассеяния назад. Аналогичными свойствами обладает и кристаллическая решетка кагоме ― название она получила от японского способа лозоплетения. В 2020 году группа ученых ИТМО и Городского университета Нью-Йорка обнаружила, что такая структура поддерживает состояния света не только локализованные на краях, но и на углах.
«Мы показали, что в таких решетках кагоме действительно могут существовать топологические угловые состояния, и притом нескольких типов. Происходит это за счет того, что между собой взаимодействуют все элементы системы, а не только ближайшие друг к другу», — комментирует научный сотрудник Нового физтеха ИТМО и один из авторов статьи Дмитрий Жирихин.
Однако перестраивать геометрию решетки в режиме реального времени крайне сложно: после изготовления структуры свойства топологических состояний уже не поменять.
Решение проблемы динамической перестройки
Не так давно ученым ИТМО совместно с коллегами из Цзилиньского и Австралийского национального университетов удалось показать, что при использовании нецентросимметричных электромагнитных рассеивателей можно создавать одномерные структуры, топологические свойства которых определяются взаимной ориентацией этих рассеивателей, а не геометрией решетки. Следующим шагом коллектива фронтирной лаборатории стало исследование двумерных структур.
«Принципиальная суть одна и та же — управление свойствами всего массива за счет изменения взаимной ориентации составляющих частиц. Одномерная система поддерживает только краевые состояния, а двумерная поддерживает как краевые, так и угловые. Это добавляет гибкости в управлении светом. Мы взяли за основу не чередование расстояний, а чередование ориентаций. Это может быть удобнее, если мы захотим перестроить некоторые из свойств топологического состояния, например его длину локализации. Мы можем просто повернуть метаатомы, и свойства решетки поменяются», — объясняет автор статьи, аспирант Нового физтеха Даниил Бобылев.
Объединив свои усилия с коллегами из Австралийского национального университета, а также с группой профессора Александра Ханикаева из Городского университета Нью-Йорка, ученым удалось не только теоретически и численно предсказать возникновение и перестройку топологических краевых и угловых состояний за счет чередования ориентаций метаатомов, но и подтвердить эту идею экспериментально.
Планы и перспективы
«На сегодня у фотонных топологических структур есть ряд применений: это топологические волноводы, в которых свет не рассеивается на изгибах, топологические резонаторы с собственной частотой, защищенной от дефектов, и топологические лазеры. Возможность гибкой перестройки свойств топологических структур, показанная нашей командой — это важный шаг на пути к использованию фотонной топологии в будущих метаустройствах», — комментирует руководитель фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов», ведущий научный сотрудник ИТМО Максим Горлач.
В будущем авторы планируют расширить свой подход на трехмерные топологические структуры, что позволит управлять распространением света по сложным трехмерным траекториям. Исследования научного коллектива ведутся при поддержке программы «Приоритет-2030», а также
Российского научного фонда.
