Коллективу ученых из ИТМО и Городского университета Нью-Йорка удалось создать управляемые топологические состояния света на кремниевом чипе. В зависимости от способа возбуждения структуры проявляются различные типы состояний: краевые или объемные. Ранее добиться такого эффекта в инфракрасном диапазоне на структурах размером в несколько микрон не удавалось. Гибкое управление состояниями и реализация на чипе может стать основой для создания устойчивых к беспорядку оптических микросхем. Статья опубликована в журнале Nano Letters.

Изображение, полученное методом электронной микроскопии со схемой распространения волн внутри структуры. Источник: иллюстрация из статьи в Nano Letters / pubs.acs.org

Топологическая физика позволяет создавать состояния света, устойчивые к дефектам и беспорядку. С практической точки зрения такой эффект открывает большие возможности для создания устройств оптической обработки и передачи информации.

Обычно для создания топологических фаз ученые работают с постоянными магнитными полями и магнито-оптическими материалами. Но структуры из таких материалов сложны в изготовлении, требуют особых условий (в частности, сильных магнитных полей), а из-за больших размеров их нельзя поместить на чип.

Можно обойтись и без магнитных полей. Ключ к этому в физике конденсированного состояния дает спин электрона, который наглядно, хотя и не вполне корректно, можно представить как вращение частицы вокруг своей оси. Спин может влиять на движение электрона в твердом теле — этот эффект известен как спин-орбитальное взаимодействие.

Но просто перенести этот принцип в фотонику нельзя — у фотонов спин-орбитального взаимодействия нет, есть его аналоги. Ученые из фронтирной лаборатории ИТМО «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» предложили собственный подход ― вместо спина использовать случайное вырождение фотонных мод. В ситуации вырождения моды с разной симметрией распределения поля распространяются вдоль волновода одинаково. При этом вырождением мод можно управлять, создавая подходящую структуру волновода, например, структурируя его. В зависимости от того, как именно возбуждается структура (а именно ― через какой вход), фотоны либо рассеиваются по всему объему, либо создают краевые топологические состояния.

Изготовление топологической структуры с таким функционалом оказалось непростой задачей.

«Из 18 изготовленных нами структур, как выяснилось, только одна имеет желаемый функционал. Так что пришлось пройти длинный путь проб и ошибок», ― отмечает первый автор статьи, аспирант Нового физтеха ИТМО Алексей Михин.  

Как подчеркивает соавтор статьи, руководитель фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» Максим Горлач, создание структуры с гибкой настройкой на чипе (то есть размерами в несколько сотен микрон) — существенный научный прорыв. И этот подход может оказаться полезным при создании оптических топологических устройств.

«Эта экспериментальная работа стала реализацией яркой теоретической идеи, которую мы предложили с моим коллегой Романом Савельевым несколько лет назад. Вы не можете по желанию поменять спин электрона. А вот управлять вырождением мод фотонных структур можно. И это открывает богатую палитру новых топологических фаз и физических эффектов, которую мы только начали исследовать в этой работе», ― говорит Максим Горлач.

Разработанная учеными структура работает в инфракрасном диапазоне на длинах волн около 1.5 микрон. Ранее исследователи апробировали свою идею в микроволновом диапазоне, где длина волны почти в 10 тысяч раз больше. Следующий шаг — добиться управляемых топологических состояний в структурах, работающих в видимом диапазоне, где длина волны еще меньше и составляет доли микрона. Такая работа уже ведется коллективом совместно с учеными из Университета Чили.

Работа поддержана Российским научным фондом и программой развития ИТМО Приоритет 2030.

Статья: Alexey Mikhin, Viktoriia Rutckaia, Roman Savelev, Ivan Sinev, Andrea Alù, Maxim Gorlach. Coherent Control of Topological States in an Integrated Waveguide Lattice (Nano Letters, 2023).

Екатерина Шевырёва

Журналист