Международная группа ученых из России и США представила первую в мире реализацию квадрупольного топологического изолятора для фотоники. Эта работа может открыть путь к созданию надежных классических и квантово-оптических устройств с топологической защитой высокого порядка, а также топологически защищенных источников классического и квантового света.

Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics.

Топологическими изоляторами называют класс материалов, который обладает необычными свойствами: внутри объема топологический изолятор является диэлектриком, а ток проводит только тончайший слой на его поверхности. Главная особенность заключается в том, что электроны в этом поверхностном слое находятся в «топологически защищенном» состоянии: они крайне устойчивы к внешним возмущениям и несовершенствам самого материала. За счет этого электрический ток бежит только в одну сторону без перебоев и потерь.

В последнее десятилетие начали разрабатываться идеи создания подобных устройств и для фотоники. Чтобы расширить класс электронных топологических изоляторов, ученые заменили электроны фотонами — квантами электромагнитного излучения. Для этого исследователи создали особые структуры — фотонные кристаллы и метаматериалы, — которые имеют специально подобранную кристаллическую решетку. Новый шаг в этой области — изучение топологических изоляторов высокого порядка. В таких системах токи локализуются на углах, а не распространяются по краям. По словам ученых, такие угловые состояния это своего рода устойчивые резонаторы, которые очень сложно испортить.

В новой работе ученым Университета ИТМО в сотрудничестве с научной группой Мэрилендского университета удалось первыми в мире реализовать квадрупольные топологические изоляторы высокого порядка в фотонике. Для этого ученые использовали кремниевую фотонику. Наиболее логичным продолжением начатой работы, по словам ученых, может стать реализация топологических состояний высокого порядка в трехмерной структуре.

«Сейчас мы работаем над реализацией топологических состояний высокого порядка в трехмерных геометриях, пытаясь создать трехмерный топологически защищенный волновод. Представьте себе: свет будет распространяться по сложным неплоским трехмерным траекториям в этой структуре без какого-либо рассеяния на изгибах и притом с эффективной защитой от беспорядка. Это была бы очень яркая физика», — отмечает соавтор работы, сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Максим Горлач.