Ученые ИТМО первыми в мире создали непроводящую ток структуру, позволяющую управлять распространением света в трехмерном пространстве без потерь — даже при наличии дефектов материала. Это полностью диэлектрический трехмерный фотонный топологический изолятор. Разработка открывает путь к созданию компактных, масштабируемых и устойчивых к сбоям фотонных компонентов, включая фотонные интегральные схемы и оптические чипы. В перспективе они могут стать ключевой аппаратной основой для вычислительных архитектур искусственного интеллекта нового поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.

^{Различные дизайны полностью диэлектрических фотонных топологических изоляторов. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO NEWS}

Топологические изоляторы — это особый класс материалов, которые не проводят ток внутри, но обеспечивают его протекание по поверхности. Их ключевая особенность — топологическая защищенность: даже при наличии дефектов, неровностей или резких поворотов материала электроны продолжают двигаться без рассеяния и потерь. Это фундаментальное свойство используется для создания устойчивых электронных устройств, например сенсоры, устройства памяти и квантовые компьютеры.

Команда ИТМО использовала принцип топологической защищенности в фотонике — области, где данные передаются с помощью фотонов, а не электронов. В отличие от электронных схем, фотонные системы не нагреваются, работают на более высоких частотах и могут существенно повысить энергоэффективность и пропускную способность вычислительных устройств. Эти преимущества делают фотонные технологии особенно востребованными на фоне постоянно растущих вычислительных нагрузок и энергопотребления в современных центрах обработки данных, вызванных стремительным развитием ИИ. Но для создания новых архитектур фотонных вычислителей нужно научиться эффективно управлять светом на масштабах меньше длины волны во всех направлениях.

Еще в 2017 году ученые ИТМО совместно с международными коллегами теоретически предсказали существование трехмерного фотонного топологического изолятора и описали его физику. Ключевой задачей стало создание именно 3D-структуры, поскольку она дает принципиально больше свободы траекторий распространения электромагнитных волн по сравнению с одномерными и двумерными системами, а значит — более гибкое управление светом на чипе. Однако долгое время считалось, что реализовать такой изолятор невозможно на практике. Ученые предполагали, что поверхностные фотонные состояния на границе с воздухом приведут к утечкам энергии и разрушению топологической устойчивости, и в итоге изолятор не будет качественно работать.

Исследователи ИТМО впервые реализовали полностью диэлектрический (не проводящий ток) трехмерный фотонный топологический изолятор. В отличие от металлических фотонных структур, которые нагреваются и плохо масштабируются, у диэлектрического аналога эти ограничения отсутствуют.

Экспериментальная структура представляет собой многослойную диэлектрическую систему, которая внешне похожа на слоеный пирог. В каждый «слой» вставлен десяток диэлектрических компонентов из керамики. Благодаря их уникальной геометрии фотоны на поверхности изолятора приобретают псевдоспин — аналог спина электронов в топологических изоляторах. Псевдоспин связан с поляризацией и определяет направление распространения света в топологической структуре: свет с правой круговой поляризацией пробежит по всем слоям правой боковой грани изолятора, а свет с левой круговой поляризацией — по слоям левой боковой грани. Это свойство позволяет задавать маршрут электромагнитным волнам, просто переключая состояние источника. Дойдя до углов изолятора, свет собирается на краю и излучается в свободное пространство.

Еще одно уникальное свойство полностью диэлектрического трехмерного фотонного топологического изолятора — топологическая устойчивость поверхностных фотонных состояний. Даже при удалении части элементов структуры или появлении повреждений поверхностные волны продолжают распространяться без потерь, огибая дефекты. Это позволяет формировать произвольные траектории распространения света и управлять направлением излучения без сложной перенастройки всей системы.

«Мы показали — то, что раньше считалось потерями, на самом деле может стать функциональным преимуществом. Используя открытые поверхности трехмерного топологического изолятора, мы научились управлять направлением излучения и маршрутизацией волн с помощью воздействия на псевдоспины. Это принципиально новый инструмент для реализации будущих фотонных устройств и оптических чипов», — рассказал первый автор исследования, старший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Дмитрий Жирихин.

Разработку можно использовать для создания компактных, емких, энергоэффективных и отказоустойчивых фотонных интегральных схем и оптических чипов. Это перспективная альтернатива традиционным электронным устройствам, которая может стать аппаратной основой для более быстрых вычислительных архитектур ИИ.

Трехмерный фотонный топологический изолятор можно реализовать в различных масштабах и адаптировать под широкий диапазон частот, что делает его универсальной платформой для фотонной интеграции. В дальнейшем ученые планируют создать миниатюрные версии разработки, совместимые с фотонными интегральными схемами и оптическими чипами, а также исследовать новые геометрии, позволяющие еще более гибко управлять светом в трехмерных вычислительных архитектурах.

Исследование поддержано программой «Приоритет 2030» и грантом РНФ (№24-72-10069).