Исследователи из Университета ИТМО впервые в мире создали трёхмерный фотонный топологический изолятор — структуру, которая позволяет произвольно управлять движением электромагнитных волн в пространстве без значительных потерь энергии. Разработка поддержана Российским научным фондом и станет основой для фотонных интегральных схем и оптических чипов нового поколения.
Что такое топологический изолятор
Это класс материалов, которые проводят ток или свет только по поверхности, а внутри остаются изоляторами. Частицы в поверхностном слое ведут себя очень стабильно — они защищены топологией материала от рассеяния и дефектов. Это делает их идеальными для:
- Фотонных чипов (где информация передаётся светом, а не электричеством).
- Квантовых компьютеров (стабильность критична для кубитов).
Раньше существовали только двумерные фотонные топологические изоляторы. Переход в 3D даёт принципиально новые возможности, но возникает проблема утечек энергии на границе материала с внешней средой.
Как обошли потери
Учёные ИТМО создали структуру, похожую на слоёный пирог:
- В каждом слое — множество «шайбообразных» керамических элементов.
- Когда фотоны (частицы света) взаимодействуют с этими элементами, они приобретают псевдоспин — характеристику, связанную с поляризацией.
- В зависимости от состояния псевдоспина фотоны движутся в определённом направлении внутри 3D-структуры.
Главный прорыв: то, что раньше считалось неизбежными потерями на границах, авторы превратили в функциональное преимущество. Используя открытые поверхности трёхмерного изолятора, они научились управлять направлением излучения и маршрутизацией волн.
Зачем это нужно
Разработка — это прямой путь к:
- Компактным фотонным интегральным схемам. Они будут быстрее электронных, так как свет распространяется быстрее тока и не греет чип.
- Энергоэффективным оптическим чипам без потерь на нагрев.
- Аппаратной основе для ИИ. Современные нейросети упираются в энергопотребление и скорость электроники. Фотоника может снять этот барьер.
Цитата
«Мы показали, что то, что раньше считалось потерями, на самом деле может стать функциональным преимуществом. Это принципиально новый инструмент для реализации будущих фотонных устройств», — Дмитрий Жирихин, старший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО.
Работа продолжает теоретические предсказания 2017 года, когда учёные ИТМО с коллегами впервые описали физику трёхмерного фотонного топологического изолятора. Теперь теория воплощена в реальном материале.