Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За первый год работы по проекту был получен ряд оригинальных результатов в области фотонных топологических состояний, а также были отработаны методики создания нанофотонных структур на основе перовскитов. В частности, синтезированы тонкие перовскитные пленки, перовскитные наночастицы в форме кубиков, а также нитевидные нанокристаллы. Отработаны методы структурирования нитевидных нанокристаллов с помощью травления фокусированным ионным пучком, а также с помощью метода нано-импринт литографии. Отработаны методы перестройки оптических свойств перовскитных соединений за счет изменения химического состава перовскита под действием паров соляной кислоты (HCl). Получены данные об оптических свойствах перовскитных пленок методами эллипсометрии. Разработаны теоретическая и численная модели для структуры на основе массива перовскитных волноводов с чередующимися расстояниями между соседними волноводами. С помощью численного моделирования доказано, что рассмотренная система описывается моделью Су-Шриффера-Хигера и поддерживает нульмерное топологическое интерфейсное состояние. Поскольку материал перовскита после оптической накачки может выступать в качестве источника когерентного излучения, разработанная структура представляет собой реализацию топологического лазера. При этом, в отличие от других реализаций топологического лазера, длина волны излучения в данном случае может перестраиваться за счет динамического управления химическим составом перовскита. Разработана численная модель для двумерной электромагнитной системы на основе решетки кагоме микроволновых резонаторов, поддерживающей топологическое угловое состояние на углу структуры. Результаты проведенных расчетов показывают, что наряду с угловым состоянием, описываемым моделью сильной связи, существует ещё одно дополнительное угловое состояние. Как показал наш анализ, возникновение дополнительного углового состояния связано с дальнодействующим взаимодействием микроволновых резонаторов. Проведенное прототипирование в микроволновой области частот позволит нам продвинуться с реализацией двумерных топологических систем, поддерживающих угловые состояния и перспективных для создания двумерных топологических лазеров на основе перовскита, устойчивых к наличию дефектов в структуре. Изготовлен экспериментальный образец двумерной решетки кагоме из диэлектрических резонаторов с резонансами в микроволновой области частот (около 5 ГГц). Для случая возбуждения структуры дипольным источником проведено измерение карты ближнего поля структуры на ожидаемой частоте топологического углового состояния. Полученные распределения ближнего поля подтверждают существование двух типов угловых состояний, одно из которых не описывается стандартной моделью сильной связи. Основываясь на результатах, полученных нами в микроволновой области спектра, была разработана численная модель для двумерной системы на основе оптической диэлектрической метаповерхности, имеющей симметрию решетки кагоме. Разработанная модель определяет частоты собственных мод структуры и демонстрирует открытие запрещенной зоны при изменении геометрии элементарной ячейки. При этом геометрия структуры была оптимизирована таким образом, что частоты собственных мод, отвечающих угловым состояниям, совпадают с частотой экситонного резонанса для перовскитных квантовых точек на основе МАPbI2Br, что приближает нас к возможности реализовать двумерный топологический перовскитный лазер на основе решетки кагоме. Кроме того, нами была разработана численная модель, описывающая локализацию света в массиве бианизотропных частиц на границе областей с разными знаками параметра бианизотропии. Существование локализованных интерфейсных состояний было подтверждено экспериментально.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
За второй год реализации проекта был выполнен комплекс теоретических, численных и экспериментальных исследований и получена серия оригинальных результатов. 1. С помощью метода «мягкого» импринта созданы массивы туннельно связанных перовскитных волноводов, описываемых моделью Су-Шриффера-Хигера. Изготовлена кремниевая топологическая метаповерхность на основе решетки кагоме, функционализированная слоем перовскитных квантовых точек. Параметры обеих структур оптимизировались таким образом, чтобы частота фотонного топологического состояния приходилась на пик спектра фотолюминесценции перовскита в диапазоне длин волн 660-670 нм. 2. Экспериментально продемонстрировано двухкратное усиление интенсивности фотолюминесценции перовскитных наночастиц на угловых состояниях топологической метаповерхности. При этом согласно численным расчетам, проведенным в программном пакете COMSOL Multiphysics, максимальное значение фактора Парселла для перовскитных квантовых точек в изготовленной структуре достигает 3.7. 3. Разработана численная модель, описывающая моды двумерной оптической метаповерхности на основе решетки кагоме при наличии радиационных потерь. С помощью разработанной модели исследованы различные сценарии возбуждения структуры, в том числе возбуждение краевых и угловых состояний. Моделирование показывает, что исследование дальнего поля от структуры с помощью инфракрасной камеры позволяет надежно определить различные типы мод топологической метаповерхности. Кроме того, разработанная численная модель определяет ширину запрещенной зоны, возникающей в спектре мод метаповерхности, в зависимости от геометрических параметров последней. Результаты численного исследования мод топологической метаповерхности на основе решетки кагоме из взаимодействующих резонаторов были апробированы нами на международной конференции Metanano 2020 [1]. 4. Получены экспериментальные карты распределения поля, возбуждаемого в топологической метаповерхности падающей плоской волной на различных частотах. Измерение распределения полей, выполненное с помощью инфракрасной камеры в дальнем поле, позволяет различить топологические краевые и угловые состояния. 5. Помимо исследования топологических состояний классических электромагнитных волн, было проведено оригинальное исследование топологических состояний квантового света. Ключевой идеей здесь стала возможность аналогового моделирования топологических состояний пар взаимодействующих бозонов в одномерной расширенной модели Бозе-Хаббарда при помощи классической двумерной системы на основе LC цепей. В ходе работ нами была разработана конструкция двумерной LC цепи и проведено исследование её резонансного отклика, позволившее выделить из множества собственных мод двумерной структуры только те, которые соответствуют связанным парам фотонов в исходной квантово-оптической задаче. Для найденных состояний была произведена реконструкция профиля собственной моды, соответствующего двухфотонному распределению вероятностей в исходной задаче, а также был извлечен топологический инвариант непосредственно из экспериментальных данных. Таким образом, нами была экспериментально продемонстрирована возможность аналогового моделирования топологической физики пар взаимодействующих бозонов в массивах резонаторов с керровской нелинейностью при помощи классической системы более высокой размерности. Детальное теоретическое исследование физики расширенной модели Бозе-Хаббарда представлено в нашей публикации [2], в то время как экспериментальные результаты получили свое отражение в статье [3], опубликованной в престижном журнале Nature Communications (IF=12.12). Кроме того, результаты работы были апробированы на международной конференции Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS) [4]. 6. Другим интересным направлением стало исследование механизма создания топологических состояний за счет чередующейся в пространстве бианизотропии. На сегодняшний день основные методы создания топологических состояний основываются на использовании кристаллической решетки с подходящей симметрией. При этом для возникновения топологических состояний должны присутствовать чередующиеся константы связи (модели Су-Шриффера-Хигера, решетка кагоме, деформированная решетка типа пчелиных сот), или часть констант связи должна быть отрицательной (квадрупольные и октупольные топологические изоляторы). В ходе работ по проекту нами было замечено, что существует и другая стратегия создания топологических состояний: если мета-атомы, составляющие структуру, несимметричны и их электромагнитный отклик бианизотропный, то сила их электромагнитной связи оказывается зависящей от их взаимной ориентации. В результате для возникновения топологических состояний ключевым фактором оказывается не симметрия кристаллической решетки, а ориентация мета-атомов друг относительно друга. Использование этого подхода является особенно перспективным для перестраиваемых или нелинейных топологических структур, в которых поворот мета-атомов может производиться динамически. Эти обстоятельства были использованы нами для реализации топологических состояний в одномерных цепочках из диэлектрических частиц с нарушенной симметрией к зеркальному отражению. Моделирование, проведенное в программном пакете COMSOL Multiphysics, подтвердило существование локализованных топологических состояний. При этом наши расчеты показали, что подобные состояния могут возбуждаться из дальнего поля падающей плоской волной, причем распределение поля в этом случае оказывается весьма близким к распределению поля топологической моды. Описанные результаты были представлены в нашей публикации [5]. Таким образом, во второй год реализации проекта нами был выполнен весь намеченный комплекс работ, а результаты исследований были представлены в 5 статьях, опубликованных в том числе в таких авторитетных журналах как Nature Communications и Physical Review A. Публикации за второй год реализации проекта: 1. D. Zhirihin, M. Li, M. Gorlach, X. Ni, D. Filonov, A. Slobozhanyuk, A. Alu, A.B. Khanikaev. “Demonstration of Higher-Order Topological States in Photonic Kagome Lattice with Next-Nearest-Neighbour Coupling”, AIP Conference Proceedings 2300, 020139 (2020). 2. A.A. Stepanenko, M.A. Gorlach. “Interaction-induced topological states of photon pairs”, Physical Review A 102, 013510 (2020). 3. N.A. Olekhno, E.I. Kretov, A.A. Stepanenko, P.A. Ivanova, V.V. Yaroshenko, E.M. Puhtina, D.S. Filonov, B. Cappello, L. Matekovits, M.A. Gorlach. "Topological edge states of interacting photon pairs emulated in a topolectrical circuit", Nature Communications 11, 1436 (2020). 4. N.A. Olekhno, E.I. Kretov, A.A. Stepanenko, P.A. Ivanova, V.V. Yaroshenko, E.M. Puhtina, D.S. Filonov, B. Cappello, L. Matekovits, M.A. Gorlach. "Topological States of Interacting Photon Pairs Emulated in a Topolectrical Circuit", 2019 Photonics & Electromagnetics Research Symposium - Fall (PIERS - Fall), Xiamen, China, pp. 1082-1086 (2019). 5. D.A. Bobylev, D.A. Smirnova, K.V. Baryshnikova, M.A. Gorlach. “Electromagnetic realization of topological states in one-dimensional arrays of bianisotropic particles”, Journal of Physics: Conference Series 1482, 012040 (2020).