Ученые ИТМО показали простой способ перестройки топологических состояний света
Группа ученых ИТМО, Австралийского национального и Цзилиньского университетов экспериментально подтвердила теорию о том, что топологические состояния света можно получать не только за счет организации геометрии кристаллической решетки в целом, но и за счет изменения формы самих рассеивателей и их ориентации по отношению друг к другу. Более того, новый способ позволяет изменять место и степень локализации света — причем в режиме реального времени.
Сама концепция топологических состояний уже давно известна и успешно применяется в интегральной и нелинейной оптике. Именно с ней исследователи по всему миру связывают появление фотонных устройств — более быстрых, эффективных и компактных, чем современные электронные девайсы. Дело в том, что топологические краевые состояния позволяют свету распространяться в определенном направлении по краям без рассеяния на дефектах. То есть такие системы крайне устойчивы и защищены от возмущений извне или изнутри (например, от неоднородности материала, сколов и так далее).
Обычно краевые состояния света возникают в структурах с особой геометрией кристаллической решетки и проявляются при их возбуждении светом определенной частоты. Простейшим примером такой структуры является модель SSH (Su-Schrieffer-Heeger, названной по фамилии авторов). Она представляет собой одномерный массив резонаторов, взаимодействующих со своими ближайшими соседями. Такие системы уже показали свою эффективность — на их основе были созданы топологические лазеры. Однако геометрия расположения резонансных рассеивателей задается заранее, на этапе изготовления структуры. Это осложняет динамическую перестройку топологических свойств (место и степень локализации краевых состояний), для которой необходимо создавать новую структуру с другим расположением частиц.
Разработанный учеными подход применим не только в микроволновом диапазоне, но и в оптическом — хотя авторы признаются, что в наномасштабе реализовать это будет значительно тяжелее из-за сложности изготовления нецентросимметричных наночастиц. Однако ученые уверены, что, несмотря на это, их результат открывает новые пути реализации фотонных топологических изоляторов и со временем может быть адаптирован для оптического диапазона. Перспективность полученных результатов подчеркивается и тем, что исследование было выбрано для публикации на обложке выпуска журнала ACS Photonics.
Работа ведется фронтирной лабораторией «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» в рамках программы «Приоритет-2030», а также при поддержке Российского научного фонда. «Данная работа — одно из перспективных направлений наших исследований. Возможность гибкой перестройки свойств метаматериала важна для нас и в другом контексте: в поисках темной материи при помощи резонаторов на основе среды из проводов. Ближайшим шагом мы планируем обобщить полученные результаты на двумерный случай», — заключает руководитель фронтирной лаборатории, старший научный сотрудник ИТМО Максим Горлач.
Статья: Zuxian He, Daniel Bobylev, Daria Smirnova, Dmitry Zhirihin, Maxim Gorlach, Vladimir Tuz. Reconfigurable Topological States in Arrays of Bianisotropic Particles, ACS Photonics, 2022.
Фото: сайт ИТМО, ITMO.NEWS