Впервые создана поверхность, где свет «бежит» без потерь и может быть управляемым

Физики из Университета ИТМО создали первую искусственную диэлектрическую поверхность, в которой распространение электромагнитных волн не зависит от дефектов и может быть управляемым. В будущем такая структура станет основой для создания более надежных оптических приборов и линий связи. Статья об исследовании опубликована в Applied Physics Letters. Работа выполнена при поддержке РНФ.

Изображение метаповерхности. Источник: личный архив

Большинство материалов можно отнести к проводникам или изоляторам: они или пропускают электрический ток, или нет. Но есть и те, что проводят только в тонком слое по поверхности, – топологические изоляторы. Самое необычное их свойство в том, что проходящий ток устойчив к любым примесям и дефектам материала и «бежит» без потерь. Эту особенность называют топологически защищенным краевым состоянием.

Топологические изоляторы, которые будут проводить не ток, а «защищенные» электромагнитные волны, изменят развитие оптических технологий. В современном оптоволокне и в оптических волноводах сигнал распространяется в основном по прямой и рассеивается в случае изгибов или дефектов. В волноводе из материала, поддерживающего топологически защищенные краевые состояния, свет сможет огибать препятствия и распространяться без потерь, несмотря на дефекты на пути распространения.

Предыдущие исследования показали, что электромагнитными аналогами классических топологических изоляторов в определенном режиме могут быть фотонные кристаллы из ферритовых стержней (ферриты – это магнитные материалы из оксидов железа и других металлов). Однако экспериментальные установки с ферритовыми стержнями, во-первых, очень громоздкие – достигают нескольких метров в высоту. Во-вторых, в них можно создавать топологически защищенные краевые состояния только в микроволновом частотном диапазоне. В оптическом диапазоне, то есть в диапазоне видимого и ближнего инфракрасного света, у магнитных материалов очень слабый отклик.

Искусственная диэлектрическая поверхность, созданная учеными
Искусственная диэлектрическая поверхность, созданная учеными

Новое решение для создания топологически защищенных краевых состояний в оптическом диапазоне нашел Александр Ханикаев, профессор Университета ИТМО в Санкт-Петербурге и Городского университета Нью-Йорка (США). Он первым предположил, что топологические краевые состояния можно создать в метаматериалах. Так называют искусственные вещества с уникальными электромагнитными свойствами. В них могут имитироваться свойства электронов в твердых телах, такие как спин (собственный магнитный момент электрона), и действующие на них синтетические поля. Более того, можно создать метаматериал, расстояние между элементами которого (так называемыми «мета-атомами») будет намного меньше, чем длина волны нужного диапазона. В экспериментах с магнитными фотонными кристаллами это было невозможно. Потому устройства на основе метаматериалов могут быть не только функциональными, но и достаточно компактными.

Концепцию Александра Ханикаева подтвердил международный коллектив физиков из России, США и Австралии, эксперименты проводились на базе Университета ИТМО. Впервые топологически защищенные краевые состояния продемонстрировали в метаматериале на основе металлов. Однако с последними нельзя работать в оптическом диапазоне из-за большого поглощения света. Поэтому для следующего эксперимента использовали диэлектрический метаматериал, точнее метаповерхность – один слой искусственной структуры.

Метаповерхность состояла из основы, на которой в строгом порядке закрепили мета-атомы, сделанные из керамических дисков. Их расположили так, чтобы расстояния между ними оказались меньше длины волны видимого света. Все мета-атомы были сделаны одинаково, но повернуты по-разному: в одной части структуры ориентированы вверх, а в другой – вниз. На границе между этими частями – доменной стенке – и возникали топологически защищенные краевые состояния.

Алексей Слобожанюк с диэлектрической метаповерхностью. Источник: личный архив
Алексей Слобожанюк с диэлектрической метаповерхностью. Источник: личный архив

Так как исследователи стремились проверить концепцию наличия топологически защищенных краевых состояний в диэлектрических метаповерхностях, эксперимент проводился не в оптическом диапазоне, где пришлось бы работать с наномасштабными элементами, а в более простом варианте, с излучением в микроволновом диапазоне. Гипотеза подтвердилась: при возбуждении электромагнитной волны на доменной стенке метаповерхности формировалось краевое состояние. Физики показали, что доменная стенка может проходить не по прямой линии, а зигзагом, и топологически защищенное краевое состояние все равно распространяется по стыку двух типов метаповерхности не отражаясь. Подобная структура в оптическом диапазоне может стать основой для «защищенных» оптических приборов.

«Нам удалось показать, что можно создать диэлектрическую метаповерхность, поддерживающую топологически защищенные краевые состояния, – говорит ведущий автор исследования, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Алексей Слобожанюк. – На основе этой работы мы уже разработали новый эксперимент с мета-атомами более простой формы, которую будет проще повторить в наномасштабах. Так можно реализовать новые оптические устройства, поддерживающие защищенные краевые состояния в оптическом диапазоне».

Топологические фотонные состояния открывают большие перспективы для управления электромагнитными волнами.

Александр Ханикаев
Александр Ханикаев

«Сама возможность имитировать явления, которые ранее считались присущими только электронным твердотельным системам, показывает значительный потенциал развития фотоники метаматериалов с синтетическими степенями свободы, – отмечает руководитель проекта Александр Ханикаев. – В нашей работе мы экспериментально показали, что псевдо-спин волна в метаматериале позволяет контролировать направление возбуждения и распространения краевого состояния. То есть оно оказывается не только защищенным, но и управляемым. При масштабировании нашей структуры для работы в ближнем инфракрасном диапазоне оптических телекоммуникаций топологические состояния станут идеальными кандидатами для приложений в интегральной фотонике».

В исследовании участвовали также ученые из Городского университета Нью-Йорка, Университета Техаса в Остине (США) и Австралийского национального университета.

Архив по годам:
Пресс-служба