Физики открыли новый класс электромагнитных структур

Разработки в области топологических изоляторов могут послужить основой для создания идеальных оптических чипов, способных совершить революцию в области телекоммуникаций, а также привести к прорыву в разработке квантовых компьютеров.

Топологические изоляторы представляют собой уникальные физические структуры, которые, будучи изоляторами внутри, способны беспрепятственно проводить электрический ток по поверхности – по особым проводящим состояниям, получившим название топологических краевых состояний. Поток электронов, проходящих по поверхности топологического изолятора, не подвергается рассеянию под влиянием встречающихся в материале примесей и дефектов. Термин “топология” в названии как раз и отражает те особенности материалов, благодаря которым проводящие состояния устойчивы к рассеянию.

В своей работе ученые создали электромагнитный аналог топологического изолятора, в котором по краевым состояниям распространялись не электроны, а электромагнитные волны. Исследователи разработали зигзагообразную структуру, состоящую из крошечных керамических сфер, которая позволила экспериментально наблюдать наличие топологических краевых состояний в первой и последней сферах структуры. Таким образом, вследствие использования зигзагообразной конфигурации, электромагнитные волны не проходили через середину структуры, а были полностью локализованы на ее краях.

Кроме того, ученые также научились выборочно управлять пространственным распределением электромагнитного поля в структуре путем изменения поляризации падающей электромагнитной волны. Уникальность работы заключалась также в том, что ученым впервые удалось наблюдать субволновые краевые состояния, то есть состояния, размер которых меньше длины волны использованного в работе микроволнового излучения.

“Мы исследуем оптические аналоги твердотельных топологических изоляторов, в которых распространяются не электроны, а электромагнитные волны. Такие структуры появились совсем недавно и активно изучаются всего пару лет. Бурный интерес к ним прежде всего мотивирован потенциальными применениями для увеличения скорости и качества обработки сигналов в оптических чипах, наноструктурах и линиях связи”, – объяснил Александр Поддубный, автор статьи, научный сотрудник кафедры фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО.

Использование электромагнитных топологических изоляторов c субволновыми краевыми состояниями может сыграть решающую роль в создании эффективных фотонных схем для передачи данных, поскольку позволит избежать взаимных помех между каналами. Как правило, такие помехи связаны с тем, что свет отражается и рассеивается на неоднородностях в ненужных направлениях. Благодаря устойчивости к рассеянию, cубволновые топологические изоляторы могут решить эту проблему. По этой же причине такие структуры подают большие надежды в области разработки квантовых компьютеров, в которых любое рассеяние ведет к уничтожению квантовой информации.

Интерес к исследованию топологических изоляторов дополнительно подогревается общим интересом к двумерным материалам, таким как графен, а также тем, что уже второй год подряд за открытие твердотельных топологических изоляторов ожидается Нобелевская премия по физике.

В то время как топологические изоляторы в кристаллах уже широко изучаются в России, электромагнитными топологическими изоляторами на данный момент занимается лишь лаборатория «Метаматериалы» Павла Белова в Университете ИТМО и группа Евгения Ивченко в ФТИ им. А.Ф. Иоффе.



Пресс-служба Университета ИТМО выражает благодарность Александру Поддубному и Павлу Белову за помощь в подготовке пресс-релиза