Ученые из ИТМО, Австралийского национального и Тель-Авивского университетов экспериментально продемонстрировали новый подход к созданию и управлению перестраиваемых фотонных структур с защищенной топологией. Секрет — в физических свойствах самих резонаторов.

Фото установки, которая использовалась в исследовании. Изображение предоставлено Новым физтехом

Топологическая фотоника — относительно новое и крайне перспективное направление, которое изучает нетривиальные электромагнитные свойства оптических систем. Основной предмет изучения топологической фотоники — краевые топологические состояния. Они возникают в массиве резонаторов и характеризуются локализацией электромагнитного поля на границе системы.

Особенно интересны топологические состояния благодаря своей защищенности, обусловленной глобальными симметриями: они крайне устойчивы к беспорядку, структурным неоднородностям и дефектам в системе, что делает их весьма перспективными для создания надежных фотонных устройств и технологий на основе фотонных структур.

В настоящее время один из основных векторов развития топологической фотоники ― изучение возможностей управления топологическими состояниями, например, возможность изменять локализацию энергии в структуре, обеспечивать динамический контроль распространения электромагнитных волн и так далее. Пока что подходы и методы только разрабатываются: например, ученые ИТМО недавно продемонстрировали способ динамической перестройки топологических состояний с помощью формы и взаимной ориентации самих частиц.

На этот раз исследователи Нового физтеха Университета ИТМО предложили новый метод управления топологическими состояниями за счет локального термического воздействия на свойства резонансных элементов системы. Он позволяет «включать» и «выключать» эти состояния в нужных областях структуры.

Подход был продемонстрирован в зигзагообразной цепочке резонансных элементов, где возникновение топологических состояний зависит как от четности резонаторов, так и от поляризации падающего излучения.

В качестве резонаторов используются частицы из сегнетоэлектрической керамики — материала, очень чувствительного к изменению температуры — и было логично предположить, что и самой структурой можно управлять, каким-либо образом воздействуя на эти частицы. Например, при нагреве диэлектрическая проницаемость такой керамики значительно уменьшается — и это свойство можно использовать для реконфигурации всей структуры.

Проведенное численное моделирование показало, что при нагреве лазером крайней частицы цепочки ее свойства меняются настолько, что она «выпадает» из системы, в результате чего топологическое состояние, ранее наблюдаемое в системе, «перепрыгивает» либо на соседа, либо на противоположный край. Но проверить экспериментально это никак не удавалось.

«Этим проектом мне предложили заняться год назад — как моей выпускной бакалаврской работой. Мы сделали моделирование, но для постановки эксперимента в таких системах требуется очень высокая точность — нужно настроить резонанс соседних частиц так, чтобы он отличался в пределах одного мегагерца. Но в итоге нам это удалось. Мы провели эксперимент для системы из семи элементов без нагрева и для системы из восьми элементов с нагревом. Нагревая восьмой элемент, мы приводили систему к состоянию семи элементов. Получается, что магнитное поле в крайнем восьмом элементе просто исчезает», — рассказывает первый автор работы Георгий Курганов.

Авторы отмечают, что этот эффект вполне возможно масштабировать на оптический диапазон (сейчас эксперимент проводился на микроволновом уровне), а также попробовать добиться того же в трехмерных структурах. Также в планах ученых — проверить, возможно ли сделать перестроение более плавным, многоступенчатым. Это может открыть перспективы для создания устройств памяти нового поколения, например, на основе материалов с фазовой памятью.

«Предлагаемый подход открывает широкие возможности для реализации управляемых с помощью температуры фотонных топологических систем. В будущем эта концепция может найти применение в устройствах фотонной логики и устройствах памяти», ― отметил один из авторов исследования, научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Дмитрий Жирихин.

Статья: Georgiy Kurganov, Dmitry Dobrykh, Ekaterina Puhtina, Ildar Yusupov, Alexey Slobozhanyuk, Yuri S. Kivshar, Dmitry Zhirihin. Temperature Control of Electromagnetic Topological Edge States, Applied Physics Letters, 2022.

Екатерина Шевырёва

Журналист