Международная группа ученых, в которую вошли физики Университета ИТМО, в ходе исследований фотонных топологических изоляторов смогла впервые экспериментально подтвердить ранее описанные теоретические модели, а также обнаружить новый, ранее не описанный эффект. Эта работа, выполненная при частичной поддержке РНФ и РФФИ, создает новое направление в изучении топологических изоляторов и в будущем может помочь в создании сверхэффективной микроэлектроники. Статья ученых опубликована в журнале Nature Photonics.

Топологический изолятор. Источник: chemeurope.com

В последние годы физики всего мира уделяют большое внимание топологической фазе материи и топологическим фазовым переходам. За открытие этих явлений в 2016 году была присуждена Нобелевская премия. Топологические переходы позволяют существенно менять свойства ряда материалов, используемых для задач электроники. Изучая свойства топологической фазы материи, учеными были обнаружены новые уникальные по своим свойствам материалы, которые получили название топологических изоляторов.

«В природе есть изоляторы, которые не проводят ток, а есть проводники, которые ток проводят, также есть промежуточный класс полупроводников, — рассказывает один из соавторов исследования, сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Максим Горлач. — Топологические изоляторы же характерны тем, что в объеме они являются типичными изоляторами, но могут при этом по своей поверхности или по отдельным граням проводить ток. Впервые с ними столкнулись, когда исследовали физику квантового эффекта Холла, когда по образцу пропускают ток, и оказывается, что в образце возникает напряжение в направлении, перпендикулярном направлению тока, принимающее квантованные значения. Потом выяснилось, что квантование холловского сопротивления имеет место вне зависимости от примесей или дефектов в образце. В этом, как позже показали теоретики, и проявляется топологическая природа квантового эффекта Холла. Дальше стали думать о возможности создания системы не чувствительной к дефектам и повреждениям, в фотонике»

Вскоре аналог квантового эффекта Холла был создан и в фотонике — ученые поняли, что если создать структуру из ферритовых стержней, то фотоны также будут распространяться по краю системы, при этом не проникая внутрь. Это позволит создать линию оптической передачи данных, которая не будет «бояться» повреждений, изломов, изгибов, которые легко могут вывести из строя обычный оптоволоконный кабель.

В 2017 году ученые открыли новый класс топологических систем — топологические изоляторы высокого порядка. Эти материалы характеризуются состояниями, способными локализоваться вдоль частей структур, размерность которых на два и более порядков ниже размерности всей системы.

«Например, если представить себе куб, то электромагнитные волны в традиционных топологических изоляторах распространяются по его поверхности, в то время как топологические изоляторы высокого порядка предоставляют возможность фотонам «путешествовать» вдоль ребер куба, либо же локализоваться на его углах», — рассказывает один из соавторов работы, аспирант Университета ИТМО Дмитрий Жирихин».

К моменту начала работы ученых было продемонстрировано несколько теоретических моделей, реализующих топологические изоляторы высокого порядка. Одной из таких моделей была поверхность, структура которой состоит из гексагональных ячеек, в каждой из которых содержатся по три элемента. Такие системы получили название решеток кагомэ — в честь японского искусства лозоплетения. В них при определенных условиях электромагнитные волны могут не только распространятся по границе, но и фокусировать поле строго на углах системы — это называется топологическими угловыми состояниями. 

Именно эти состояния и намеревались изучить и экспериментально обнаружить исследователи из ИТМО под руководством Александра Ханикаева, профессора Городского колледжа Нью-Йорка (The City College of New York).

«Если мы из таких треугольников сделаем структуру, то при определенных условиях, когда у нас расстояния между элементами внутри ячейки больше, чем расстояние между двумя ближайшими элементами двух смежных ячеек, то на углах всей структуры возникает локализованное состояние электромагнитного поля, — рассказывает Дмитрий Жирихин. — Экспериментально эти теоретические выкладки ранее подтверждены не были. Именно в этом изначально и состояла наша задача — исследовать такую решетку кагомэ на практике и найти топологические угловые состояния высшего порядка»

Неожиданный результат

Эксперимент шел по плану: ученые создали диэлектрическую структуру, состоящую из керамических цилиндрических резонаторов, расположенных в узлах решетки кагомэ. Структура исследовалась в микроволновом частотном диапазоне методом сканирования ближнего электромагнитного поля. Экспериментируя с расстоянием между цилиндрами в пределах элементарной ячейки, ученые смогли наблюдать описанный ранее эффект — на определенной частоте на трех цилиндрах на концах треугольной системы возникало топологическое состояние электромагнитного поля. Казалось бы, эксперимент можно было считать успешно завершенным — впервые были экспериментально показаны высшие топологические состояния в фотонных решетках кагомэ. Однако физикам удалось обнаружить и другой ранее не описанный никем эффект.               

«В ходе работы мы нашли совершенно новое состояние, и это очень необычно, — продолжает Жирихин. — Как правило, в электромагнетизме мы разрабатываем какую-то идею теоретически, потом делаем эксперимент, подтверждая ее. Здесь же мы сначала наблюдали новое явление экспериментально, а уже потом его описывали теоретически»

При определенной частоте можно было видеть, что отклик дают не три цилиндра, расположенных в углах треугольной системы, а ближайшие к ним попарно связанные цилиндры с каждой из сторон треугольника.

«Мы разработали теоретическую модель, с помощью которой объяснили эти дополнительные состояния характером взаимодействия столбиков, а именно их дальним взаимодействием, —объясняет Максим Горлач. — Обычно для расчетов топологических систем ученые использовали модель сильной связи, то есть исходили из взаимодействий только ближайших элементов друг с другом. И, исходя из этого, предсказали только одно угловое состояние на одной конкретной частоте. Однако очевидно, что электромагнитные взаимодействия дальнодействующие, то есть фактически все элементы в электромагнитных системах взаимодействуют друг с другом. Вопрос только, с какой силой. В нашей системе мы имеем дело с распространяющимися волнами, соответственно можем видеть эффект взаимодействия дальних соседей, за счет чего в эксперименте мы наблюдаем новое, ранее не описанное, топологическое состояние»

Перспективы

Несмотря на то, что работа может быть отнесена к разряду фундаментальных, она имеет перспективу непосредственного применения. Структуры, которые были использованы в эксперименте, могут быть масштабированы и использоваться для обработки и передачи данных, в будущих оптических чипах и другой микроэлектронике.

«Главное практические значение этой работы в том, что вы можете контролировать электромагнитное поле на малых масштабах, например, локализовать электромагнитное поле в очень малую область пространства (например, на угол структуры или сразу на три угла). Далее это возможно применять в оптических чипах, оптических компьютерах, различных коммуникациях, когда вам нужно контролировать ближние поля на наномасштабах. При этом в будущем, когда будут делаться устройства, можно переключить состояния структуры с того, где на определенной частоте поле бежит по краю, на состояние, где поле сфокусировано на углу», — заключает профессор Александр Ханикаев.

Константин Крылов

Журналист