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.

Визуализация эксперимента с использованием решетки из керамических частиц, в ходе которого исследователи продемонстрировали эффективность решения. Изображение предоставлено авторами статьи

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.

Как это работает

Краевые состояния возникают в системах с нетривиальной зонной топологией при их возбуждении светом определенной частоты или на границах раздела между системами с тривиальной и нетривиальной зонными топологиями. Нетривиальную топологию в одномерной системе можно получить, если составить цепочку резонаторов с чередующимся эффективным взаимодействием между ними.

«Можно представить конечную цепочку одинаковых грузиков, соединенных пружинками двух типов жесткости. В этом примере массы грузиков соответствуют частотам их резонансов, а жесткости пружинок — силам связи между ними. Если мы чередуем пружинки, то структура начинает обладать нетривиальной зонной топологией. Это значит, что симметрия колебания всей структуры меняется с частотой возбуждения, порождая локализованные на краях со слабой связью моды», — рассказывает автор исследования, аспирант Нового физтеха ИТМО Даниил Бобылев.

В аналогичных электромагнитных системах свет может не только «застывать» в определенном месте, но и распространяться по краям двумерных топологических структур без рассеяния, огибая острые углы и препятствия. Это крайне полезно для создания компонентной базы для приложений интегральной фотоники. В будущем это может позволить создавать фотонные цепи на замену электронным.

Новый подход

Ученые из фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» Нового физтеха Университета ИТМО под руководством Максима Горлача предложили управлять топологическими  состояниями света не за счет геометрии решётки, а за счет чередования свойств самих частиц. Такой подход позволяет не только локализовать эти состояния, но и динамически перестраивать их.

«Управление топологическими состояниями света является одной из ключевых проблем с точки зрения дальнейшего практического применения фотонных топологических систем. Целью нашей работы было созданию нового способа управления топологическими состояниями», — рассказывает один из авторов исследования, младший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Дмитрий Жирихин.

Эффективность решения исследователи продемонстрировали в микроволновом эксперименте, используя решетку из керамических частиц, по форме напоминающих крошечные лошадиные подковы. Затем они составили из таких «подковок» одномерный массив (систему соосных несимметричных цилиндров), который в ходе эксперимента засвечивается микроволнами определенной частоты, демонстрируя распределение электромагнитного поля.

При этом частицы были расположены на фиксированном расстоянии друг от друга — чтобы доказать, что топология изменяется именно при повороте частиц, а не при изменении их расположения в решетке:

«Когда мы крутили керамические диски, то видели, что локализация менялась от концентрированной (в центре) до полностью размытой, что соответствует перестройке нетривиального режима в тривиальный. Это подтвердило результаты теоретических выводов и численного моделирования, которые мы продемонстрировали в прошлых работах. Это открывает большие возможности. Например, наша конструкция может быть полезна при разработке топологических волноводов, резонаторов, переключателей для связи поколения 6G», —  объясняет Даниил Бобылев.

Применение в оптике

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.

Екатерина Шевырёва

Журналист