Российские учёные открыли новый класс электромагнитных структур

Учёные из Университета ИТМО в сотрудничестве с коллегами из Австралийского национального университета разработали электромагнитный аналог топологического изолятора на основе резонансных сферических частиц. Это первая экспериментальная работа по электромагнитным топологическим изоляторам в России и первая работа по субволновым электромагнитным топологическим изоляторам в мире. Результаты исследования приведены в статье, опубликованной на страницах журнала Physical Review Letters.

Разработки в области топологических изоляторов могут послужить основой для создания идеальных оптических чипов, способных совершить революцию в области телекоммуникаций, а также привести к прорыву в разработке квантовых компьютеров.

Топологические изоляторы представляют собой уникальные физические структуры, которые, будучи изоляторами внутри, способны беспрепятственно проводить электрический ток по поверхности — по особым проводящим состояниям, получившим название топологических краевых состояний. Поток электронов, проходящих по поверхности топологического изолятора, не подвергается рассеянию под влиянием встречающихся в материале примесей и дефектов. Термин «топология» в названии как раз и отражает те особенности материалов, благодаря которым проводящие состояния устойчивы к рассеянию.

В своей работе ученые создали электромагнитный аналог топологического изолятора, в котором по краевым состояниям распространялись не электроны, а электромагнитные волны. Исследователи разработали зигзагообразную структуру, состоящую из крошечных керамических сфер, которая позволила экспериментально наблюдать наличие топологических краевых состояний в первой и последней сферах структуры. Таким образом, вследствие использования зигзагообразной конфигурации, электромагнитные волны не проходили через середину структуры, а были полностью локализованы на ее краях.

Физики также научились выборочно управлять пространственным распределением электромагнитного поля в структуре путем изменения поляризации падающей электромагнитной волны. Уникальность работы заключалась также в том, что ученым впервые удалось наблюдать субволновые краевые состояния, то есть состояния, размер которых меньше длины волны использованного в работе микроволнового излучения.

«Мы исследуем оптические аналоги твердотельных топологических изоляторов, в которых распространяются не электроны, а электромагнитные волны. Такие структуры появились совсем недавно и активно изучаются всего пару лет. Бурный интерес к ним прежде всего мотивирован потенциальными применениями для увеличения скорости и качества обработки сигналов в оптических чипах, наноструктурах и линиях связи», — объяснил Александр Поддубный, автор статьи, научный сотрудник кафедры фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО.

Использование электромагнитных топологических изоляторов c субволновыми краевыми состояниями может сыграть решающую роль в создании эффективных фотонных схем для передачи данных, поскольку позволит избежать взаимных помех между каналами.