Что, если бы мы могли не просто направлять свет, но и удерживать его в нужном месте — эффективно, без потерь и в широком диапазоне частот? Это стало возможным благодаря новым открытиям в области топологических фотонных кристаллов, опубликованным в Science Advances в 2025 году. Исследование, проведённое международной командой учёных, показывает, как можно создавать «горячие точки» — миниатюрные зоны с высокой концентрацией света — просто за счёт формы и симметрии материала.
Предыстория: что такое топологические волноводы?
В последние годы в физике появились так называемые топологические изоляторы — материалы, в которых ток (или свет) может проходить по краю без отражений и потерь, даже если есть препятствия. Эти эффекты основаны на математике топологии — науки о свойствах объектов, которые не меняются при деформации (как, например, у бублика и чашки с ручкой — они «топологически» одинаковы).
Такие же принципы теперь применяются и в фотонике — науке о свете. В фотонных кристаллах — искусственно созданных структурах, влияющих на поведение света — можно построить топологический волновод. Это не просто канал, по которому движется свет. Это «протоптанная дорожка» по краю материала, защищённая от потерь за счёт симметрии и особых состояний света, называемых краевыми состояниями.
Главный вопрос: что происходит, когда такой волновод внезапно обрывается?
До сих пор учёные хорошо знали, как свет ведёт себя внутри топологического волновода. Но никто точно не понимал, что случается, когда этот волновод резко заканчивается. Обычный свет в такой ситуации отражается или рассеивается. Но исследователи задали простой, но фундаментальный вопрос:
Может ли топология повлиять на поведение света у «тупика»?
Оказалось — может.
Открытие: свет «зависает» на границе и усиливается
Учёные из Нидерландов и США построили волновод, в котором свет двигался вдоль границы между двумя зеркально симметричными фотонными кристаллами. В определённой частотной области свет не мог уйти ни в стороны, ни наружу — ему оставалось либо отражаться назад, либо «остаться».
И он остался.
С помощью высокоточного сканирующего зондового микроскопа исследователи наблюдали, как свет концентрируется в крошечной области — около 500 нанометров — в точке, где волновод заканчивался. Интенсивность света там увеличивалась в 10–15 раз, создавая эффект «оптической ловушки». Это происходило в широком диапазоне частот, что делает эффект особенно ценным для практического применения.
Почему это происходит? Роль симметрии и "валлийной" степени свободы
Эффект локализации света оказался связан с валлийной степенью свободы (valley degree of freedom). Это характеристика, связанная с направлением движения света внутри определённых энергетических состояний кристалла (так называемых K и K' точек в зоне Бриллюэна).
Когда свет отражается, ему нужно перейти из одного «долинного» состояния в другое — а это затруднено, если сохраняется симметрия кристаллической решётки на границе. Таким образом, симметрия подавляет обратное рассеяние, и свет задерживается у края.
Форма края играет ключевую роль: если граница имеет зигзагообразную форму, она сохраняет симметрию. Если же край — типа «армчейр» (прямой, несимметричный), симметрия нарушается, и свет спокойно отражается назад — никакой локализации не происходит.
Широкополосность и настройки эффекта
Эффект усиления проявляется в широком диапазоне частот (около 6 ТГц) и может быть настроен путём изменения параметра под названием lattice shift — смещения решётки на границе. Это делает технологию гибкой и пригодной для использования в различных оптических схемах.
Более того, это усиление не связано с резонансом в замкнутой полости — как в обычных нанолазерах. Это новый тип «резонатора», создаваемого не за счёт формы, а за счёт топологической защиты и подавленного рассеяния.
Как это может быть использовано?
Практическое значение огромно:
- Нанофотоника: создание высокоэффективных детекторов и источников света.
- Квантовая оптика: улучшение взаимодействия света с одиночными квантовыми объектами.
- Сенсоры: усиление сигналов в ультракомпактных устройствах.
- Фотонные чипы: хранение и перераспределение света на наномасштабе.
Итоги и будущее
Это исследование демонстрирует, как глубоко симметрия и топология могут влиять на поведение света. Теперь мы знаем: свет можно не просто направлять, но и останавливать, усиливать и накапливать, используя только геометрию и структуру материала.
Следующий шаг — применение этой концепции в реальных оптических чипах и системах связи.
Подписывайтесь на канал чтобы не пропустить новые статьи