Ученые предложили новую структуру для фотонных топологических изоляторов
Новую, основанную на четырехугольной мозаике призменных резонаторов структуру предложили для фотонных топологических изоляторов ученые Красноярского научного центра (КНЦ) СО РАН и Сибирского федерального университета (СФУ), 7 декабря сообщает пресс-служба КНЦ СО РАН.
Созданная красноярскими учеными структура фотонных изоляторов обеспечивает управление потоком фотонов за счет особых топологических свойств света. Использовать предложенную структуру можно при создании оптических лазеров или устройств, передающих информацию без потерь.
Результаты исследования новой структуры ее разработчики представили в статье «Мозаичный фотонный топологический изолятор для лазерных применений», опубликованной в журнале Applied Sciences.
Фотонным топологическим изолятором называется материал или структура, в котором свет не может проникнуть в его тело и распространяется только по поверхности изолятора. Это происходит из-за особых топологических свойств света, которые не меняются, даже если мы изменяем форму или размер устройства.
Ранее для создания фотонных топологических изоляторов использовалась структура, представляющая собой массивы спиральных волноводов и кольцевых резонаторов.
Новая платформа для создания таких изоляторов, предложенная учеными КНЦ СО РАН и СФУ, представляет собой структуру на основе четырехугольной мозаики одинаковых призменных резонаторов. Маленькие призмы в такой структуре могут удерживать свет внутри себя, что позволяет ученым контролировать движение фотонов и направлять свет в нужную сторону.
Это достигается за счет того, что каждая элементарная ячейка четырехугольной мозаики содержит четыре призмы, одна из которых остается пустой. Свет свободно перемещается внутри массива, меняя направление своего распространения за счет отражения от открытых граней призм, причем траектория света остается стабильной, даже когда количество призменных резонаторов изменяется.
Один из авторов работы, инженер КНЦ СО РАН Пётр Ким пояснил: «Для резонаторов важен материал, из которого изготовлены призмы. Чем выше показатель преломления этого материала, тем больше диапазон углов падения света, при которых можно получить устойчивую топологическую траекторию». Поэтому команда выбрала для призм высокопреломляющее боросиликатное стекло.
В процессе исследования новой структуры ученые экспериментально получили траекторию лазерного пучка вблизи поверхности массива и измерили интенсивность проходящего света и его потери в структуре.
«Топологическая устойчивость траектории позволяет изменять структуру поверхности массива, пространственный масштаб резонаторов, а также длину волны излучения, — отметил Ким. — Новая платформа является основой для создания активных топологических фотонных устройств и лазеров».
В своей дальнейшей работе ученые рассмотрят практическую реализацию мозаики из треугольных и шестиугольных призменных резонаторов.
«Преимущество шестиугольной мозаики в том, что угол отражения составляет 60 ° (т.е. критический угол), значит, такой тип изолятора может быть экспериментально реализован с использованием оптического материала с показателем преломления менее чем 1,43 (так как критический угол, при котором появляется топологически устойчивое состояние, прямо пропорционален показателю преломления)», — указал Петр Ким.
Заведующий лабораторией фотоники молекулярных систем Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН Иван Тимофеев пояснил, в чем важность проделанной ими работы:
«Чтобы понять, как это работает, представьте лабиринт из зеркал и попробуйте получить устойчивый луч. Убираете часть зеркал, или ставите новые зеркала, а луч огибает препятствие и возвращается на свою прежнюю траекторию. В нашей мозаике можно убрать почти все призмы, или периодически достроить мозаику, и это не помешает лучу вернуться на свою суперустойчивую траекторию. На сегодня это самый простой известный нам способ показать, как устроены топологические изоляторы в частном случае. В то же время убедиться в единой математической природе фотонных структур оказалось совсем не просто».
