Группа ученых университетов ИТМО, Австралийского национального и Цзилиньского разработали топологическую структуру, позволяющую динамически перестраивать краевые состояния света. За счет особой формы составляющих систему частиц открывается возможность менять ее свойства путем вращения отдельных частиц. Эффективность такого решения исследователи продемонстрировали в ходе микроволнового эксперимента. Полученные результаты ускорят развитие топологически защищенных электромагнитных устройств.
Все популярнее становится идея замены электронных устройств фотонными, в которых информация передается с помощью света. В связи с этим перспективна концепция топологических (краевых) состояний света, которые могут распространяться без рассеяния на дефектах и неоднородностях или образовывать локализованные состояния с частотой, устойчивой к различным помехам из внешней среды.
Чтобы получить эти состояния, необходимо использовать структуры на основе резонансных частиц, составленных в определенную решетку. Обычно исследователи подбирают специальную геометрию конструкции, например, меняют расстояние между частицами. Но такие структуры сложно регулировать, особенно в режиме реального времени.
Ученые из фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» под руководством М. А. Горлача Нового физтеха Университета ИТМО предложили управлять топологическими состояниями света при помощи чередования свойств самих частиц, а именно, их ориентации. Такой подход позволяет не только локализовать эти состояния, но и намного проще перестраивать их (изменять длину локализации света, «переключать» край структуры, на котором они появляются). Эффективность решения исследователи продемонстрировали в микроволновом эксперименте, используя решетку из керамических частиц, по форме напоминающих крошечные лошадиные подковы.
«Благодаря чередованию ориентации частиц можно получить стабильные защищенные краевые состояния. Вдобавок мы можем крутить эти частицы в реальном времени, что позволяет динамически перестраивать длину локализации этих состояний, переключать край, который будет светиться. Это оказывается перспективным не только в микроволнах, где у нас был проведен эксперимент, но и в оптическом диапазоне», — рассказывает Даниил Бобылев, автор исследования, аспирант Нового физтеха Университета ИТМО.
Сперва ученые оптимизировали форму отдельной частицы. Затем они составили из таких «подковок» одномерный массив (систему соосных несимметричных цилиндров), который в ходе эксперимента засвечивается микроволнами определенной частоты, демонстрируя распределение электромагнитного поля.
«Когда мы крутили керамические диски, то увидели, что локализация менялась от концентрированной (в центре) до полностью размытой, если меняли нетривиальную структуру на тривиальную. 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», — добавляет Даниил Бобылев.
«Данная работа — одно из перспективных направлений работы недавно созданной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов». 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», — рассказывает Максим Горлач, руководитель фронтирной лаборатории, старший научный сотрудник ИТМО. Исследование было выбрано для публикации на обложке выпуска журнала ACS Photonics. Работа поддержана программой Минобрнауки РФ «Приоритет 2030» и грантом РНФ.