Как заставить фотон считать себя электроном: международная группа описала новую физику 3D-топологических изоляторов

23.06.2017

Научные исследования в области топологических изоляторов имеют высокий потенциал практического применения. Международная научная группа, в состав которой вошли ученые Университета ИТМО, описала физику 3D-топологических изоляторов в журнале Nature Photonics. В этой системе фотоны начинают вести себя как электроны, за счет чего они приобретают уникальные свойства. Использование таких систем может упростить создание трехмерных оптических чипов, устойчивых многоканальных систем коммуникации и других оптико-электронных систем.

Топологическими изоляторами называют материалы, которые проводят ток только на своей поверхности, а внутри остаются диэлектриками. При этом электроны на такой поверхности устойчивы к внешним возмущениям и каким-либо дефектам самого материала. Ранее ученые из Университета ИТМО создали аналог такого материала, у которого топологически защищены не электроны, а электромагнитные волны. Для этого электромагнитная волна должна падать на массив из специально изготовленных резонансных частиц, выстроенных определенным образом.  В такой структуре электромагнитные волны распространяются только на краях структуры и затухают вглубь.

«Когда мы говорим о топологическом изоляторе в одномерном пространстве, это значит, что есть некая цепочка, где топологически защищенные состояния возникают только на ее концах. В двумерном пространстве мы наблюдаем одномерные “границы”, то есть линии, по которым и бежит электромагнитная волна или электроны, и возникают уже топологически защищенные краевые состояния. В трехмерном же измерении границами изоляторов становятся уже двумерные объекты, поверхности или доменные стенки, в результате чего возникают защищенные поверхностные состояния», – объяснил, что значит 3D-топологический изолятор профессор Городского университета Нью-Йорка Александр Ханикаев.

Удивительные свойства 3D-топологических изоляторов были описаны международной группой ученых в журнале Nature Photonics, первым автором выступил аспирант Университета ИТМО Алексей Слобожанюк, соавторами, кроме Александра Ханикаева, стали сотрудник Университета Техаса в Остине Хуссейн Мусави, сотрудники Городского университета Нью-Йорка Жанг Ни и Дарья Смирнова, а также Юрий Кившарь, профессор Австралийского национального университета и Университета ИТМО. Ученым удалось смоделировать такую систему, в которой фотоны начинают вести себя как релятивистские электроны (те, что движутся со скоростями, близкими к скорости света), то есть описываться теми же уравнениями, подчиняться тем же физическим законам.

Александр Ханикаев

Александр Ханикаев

Для того чтобы заставить фотон вести себя как электрон, ученые использовали искусственные электромагнитные «атомы». Каждый атом спроектирован таким образом, что, когда они упорядочены в периодическую решетку, фотоны в ней приобретают спин, подобный спину электронов. Таким образом, фотоны, двигаясь от одного резонатора к другому, приобретают дополнительные характеристики, им не свойственные. Обычно в фотонных системах спин фотона, то есть его поляризация, имеет направление либо вдоль, либо перпендикулярно направлению распространения (так называемые TE и TM моды) для разных волн. В системе же 3D-топологического изолятора для одной и той же волны спин может иметь два состояния одновременно, в результате чего к нему можно применять физику, свойственную релятивистским электронам. Более того, фотон приобретает эффективную массу, которая в обычных условиях равна нулю.

«Мы получаем совершенно новую физику, которую раньше невозможно было представить в таких синтетических и реализуемых на практике системах, как топологические изоляторы. Формализм, который был развит в физике твердого тела, мы обобщили и применяем в электромагнитных системах. Это стало возможно за счет использования концепции метаматериалов. В данный момент мы работаем над микроволновой реализацией 3D-топологического изолятора», – сказал Александр Ханикаев.

При этом можно разрабатывать разные структуры 3D-топологических изоляторов под разные приложения, в зависимости от используемой длины электромагнитной волны. Наиболее перспективная сфера использования таких систем – это интегрированные оптические системы и линии связи. В таких каналах коммуникации сигнал сможет распространяться не только прямолинейно, но и в разные стороны в зависимости от изгибов волновода, и при этом он не будет испытывать отражений и энергетических потерь.

Сигналом можно будет управлять с помощью изменения поляризации волны, то есть изменением направления ее колебаний. Обычно поляризацию магнитного поля игнорируют, но в 3D-топологических изоляторах контролируются обе компоненты электромагнитной волны, за счет чего добиваются большего контроля над сигналом. Искусственные атомы, которые используются в 3D-топологических изоляторах, являются резонаторами не только для электрических, но и магнитных полей.

В теории, поляризацией в 3D-топологических изоляторах можно будет управлять динамически, то есть при необходимости менять направление движения сигнала без изменения физической конструкции волноводов или оптико-электронных схем. Делать это можно будет, например, за счет электронного допинга в полупроводниках или графене, когда в систему добавляются электроны, и за счет этого меняются ее свойства. Также, наделяя фотонные топологические изоляторы нелинейными свойствами, можно менять их свойства, изменяя интенсивность самой проходящей волны.

Алексей Слобожанюк

Алексей Слобожанюк

«Трехмерные топологические изоляторы можно будет использовать и в оптических чипах. Их можно представить как многоканальные автомобильные магистрали. Топологический изолятор за счет поверхностных состояний может позволить синхронизировать между собой, например, два слоя оптического чипа с помощью одного электромагнитного сигнала, который будет перемещаться от одного слоя к другому», – добавил аспирант Алексей Слобожанюк.

Использование 3D-топологических изоляторов позволит также упростить создание систем приема-передачи сигнала, в которых есть антенны. Обычно между передатчиком и приемником электромагнитных сигналов не может быть еще какой-либо антенны, потому что она будет возмущать проходящее излучение. В трехмерных же системах антенны могут располагаться где угодно, потому что возмущения фотонов не будет происходить, ведь они уже не ведут себя как фотоны. В результате можно будет создавать многоканальное взаимодействие без разнесения сигнала по разным частотам.

«У фундаментальных исследований в области топологических изоляторов есть большой шанс воплотиться в практическом приложении. И это не только устойчивые оптические линии связи. С помощью топологических изоляторов можно управлять и рассеянием света, и интенсивностью взаимодействия фотонных структур со светом. Это важно для создания более надежных и более дешевых в производстве лазеров, ведь обычно лазер очень чувствителен к малейшим дефектам в структуре. А если этого удастся избежать, это позволит повысить эффективность производства таких устройств», – отметил Александр Ханикаев.

В ближайших планах международной группы ученых, описавших систему 3D-топологического изолятора, провести эксперимент для проверки ее работы в области микроволнового излучения. Ведь приложения, которые используют этот тип электромагнитных волн, могут быть достаточно важны: это и мобильные сети, и Wi-Fi. Демонстрация свойств 3D-топологических изоляторов в этой сфере может быть первым шагом к их практическому применению.


Редакция новостного портала