Физики зарегистрировали уровни Ландау для фотонов в фотонных кристаллах

Учеными были достигнуты значительные успехи в области нанофотоники, которые были зафиксированы в двух научных публикациях в журнале Nature Photonics. Группы исследователей под руководством Микаэля Рехтсмана из Университета штата Пенсильвания и Рене Барчука, Лоуренса Койперса и Эвольда Верхагена из Центра Нанофотоники в Амстердаме и Дельфтского Технического Университета зарегистрировали уровни Ландау в фотонных кристаллах. Для этого была применена деформация кристаллической решетки, что создало условия, аналогичные эффекту магнитных полей для фотонов.

Проект был поддержан в рамках ежегодной Национальной премии в области будущих технологий «Вызов», которая в 2023 году была присуждена за достижения в разработке ионного квантового процессора, магнитов из высокотемпературных сверхпроводников, вычислительных устройств на основе поляритонов и оптического транзистора, а также за вклад в разработку новых методов лечения заболеваний мозга.

В обычных условиях, электроны в двумерной плоскости под воздействием магнитного поля двигаются по круговым траекториям, что обусловлено действием силы Лоренца. Подобное движение приводит к квантованию и формированию дискретных энергетических состояний, известных как уровни Ландау. Они способствуют возникновению целочисленных и дробных квантовых эффектов Холла. Фотоны, в отличие от заряженных частиц, не подвержены взаимодействию с магнитным полем посредством силы Лоренца. Однако, исследования показали, что можно создать условия, при которых фотоны будут проявлять аналогичное поведение, если нарушить периодичность в структуре фотонного кристалла.

Одним из методов исследования, использованного первой группой ученых, стал метод обратного рассеяния с угловым и частотным разрешением, а вторая группа использовала Фурье-спектрополяриметрию в дальнем поле. Эти методы позволили подтвердить наличие уровней Ландау для фотонов и доказать согласие между экспериментальными результатами и теоретическими предсказаниями. Также было обнаружено, что дополнительная деформация кристалла может уменьшить разброс энергетических состояний и при создании разнонаправленной деформации можно наблюдать краевые хиральные фотонные состояния.

]]>