Международная группа ученых, в которую вошли физики Университета ИТМО, в ходе исследований фотонных топологических изоляторов смогла впервые экспериментально подтвердить ранее описанные теоретические модели, а также обнаружить новый, ранее не описанный эффект.

Эта работа, выполненная при частичной поддержке РНФ и РФФИ, создает новое направление в изучении топологических изоляторов и в будущем может помочь в создании сверхэффективной микроэлектроники. Статья ученых опубликована в журнале Nature Photonics.

В последние годы физики всего мира уделяют большое внимание топологической фазе материи и топологическим фазовым переходам. За открытие этих явлений в 2016 году была присуждена Нобелевская премия. Топологические переходы позволяют существенно менять свойства ряда материалов, используемых для задач электроники. Изучая свойства топологической фазы материи, учеными были обнаружены новые уникальные по своим свойствам материалы, которые получили название топологических изоляторов.

«В природе есть изоляторы, которые не проводят ток, а есть проводники, которые ток проводят, также есть промежуточный класс полупроводников, — рассказывает один из соавторов исследования, сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Максим Горлач. — Топологические изоляторы же характерны тем, что в объеме они являются типичными изоляторами, но могут при этом по своей поверхности или по отдельным граням проводить ток. Впервые с ними столкнулись, когда исследовали физику квантового эффекта Холла, когда по образцу пропускают ток, и оказывается, что в образце возникает напряжение в направлении, перпендикулярном направлению тока, принимающее квантованные значения. Потом выяснилось, что квантование холловского сопротивления имеет место вне зависимости от примесей или дефектов в образце. В этом, как позже показали теоретики, и проявляется топологическая природа квантового эффекта Холла. Дальше стали думать о возможности создания системы не чувствительной к дефектам и повреждениям, в фотонике».

Вскоре аналог квантового эффекта Холла был создан и в фотонике — ученые поняли, что если создать структуру из ферритовых стержней, то фотоны также будут распространяться по краю системы, при этом не проникая внутрь. Это позволит создать линию оптической передачи данных, которая не будет «бояться» повреждений, изломов, изгибов, которые легко могут вывести из строя обычный оптоволоконный кабель.

В 2017 году ученые открыли новый класс топологических систем — топологические изоляторы высокого порядка. Эти материалы характеризуются состояниями, способными локализоваться вдоль частей структур, размерность которых на два и более порядков ниже размерности всей системы.