Исследователи из Инженерного колледжа Грейнджера при университете Иллинойса первыми продемонстрировали простой и настраиваемый метод реализации асимметричных связей в интегральной photonics. Их выводы, [опубликованные](https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.153801) в журнале Physical Review Letters и выбранные редакцией, проливают свет на топологическую физику, одновременно представляя новый подход к оптической невзаимности и фотонной гирации.
Экспериментальные системы в photonics
Экспериментальные системы в photonics часто считаются замкнутыми и взаимными, что означает отсутствие обмена энергией с окружающей средой. Однако недавние исследования неэрмитовых систем показали, что открытие системы для внешних взаимодействий может привести к появлению удивительных новых явлений.
Одним из таких явлений является асимметричное взаимодействие типа, предложенного теоретически Хатано и Нельсоном в середине 1990-х годов, которое порождает уникальные эффекты, кажущиеся нарушением принципа взаимности, такие как неэрмитов скин-эффект. Однако такие асимметричные взаимодействия не встречаются в природных материалах.
Использование метаматериалов
Инженеры ранее обходили подобные ограничения, используя метаматериалы, которые могут эмулировать и даже превосходить свойства реальных материалов. Метаматериалы можно создавать, используя простые строительные блоки в гораздо большем масштабе, и они обычно позволяют исследователям изучать и лучше понимать материалы, которые были теоретически предложены или которые могут быть синтезированы в будущем.
Гаурав Баhl, профессор механической науки и инженерии имени Джорджа Б. Грима и старший автор статьи, сказал: «Хотя асимметричные связи типа Хатано-Нельсона были реализованы в электронных и механических метаматериалах, никто ещё не открыл обобщаемый подход, который можно было бы использовать независимо от типа метаматериала».
Открытие нового подхода
Лаборатория Баhl обнаружила, что изменение индекса материала как во времени, так и в пространстве может легко создать такую асимметрию. Чтобы проверить эту гипотезу, они создали двухрезонаторную «фотонную молекулу» с использованием лития ниобата (материала, в котором модуляцию можно индуцировать, прикладывая напряжение). Контролируя амплитуду, фазу и частоту модуляций, они показали, что взаимодействие между резонаторами можно изменять динамически, достигая как симметричных, так и асимметричных связей по требованию.
«Это очень интересный подход, который мы разработали», — сказал Баhl. «Модуляция просто периодически изменяет резонаторы, в результате чего возникает эффект, который выглядит точно так же, как связь Хатано-Нельсона. Самое приятное то, что метод полностью независим от используемой системы и может быть использован в электронике, акустике или даже сверхпроводящих квантовых устройствах».
Исследователи из Иллинойса успешно достигли этой цели, продемонстрировав гигантский эффект оптической изоляции, при котором распространение света в одном направлении было в миллион раз легче, чем в противоположном.
Но при исследовании своих тестовых устройств инженеры столкнулись с неожиданностью. Их подход был настолько эффективен, что они смогли преодолеть точку изоляции, где знак связи просто изменился на противоположный, а фаза стала зависеть от направления. Это было нечто, чего раньше не наблюдалось в модулируемых по времени связях, и это простой путь к фотонной гирации.
В дальнейшем исследователи из Иллинойса будут работать над расширением своих выводов. Они сотрудничают со своими партнёрами, специализирующимися на конденсированных средах, чтобы изучить, как более длинные и сложные цепочки резонаторов с такими настраиваемыми связями могут ответить на фундаментальные вопросы топологической физики. Параллельно с инженерной точки зрения они стремятся создать чистый гиратор, который является универсальным строительным блоком многих невзаимных устройств.
Предоставлено [Инженерным колледжем Грейнджера при университете Иллинойса](https://phys.org/partners/university-of-illinois-grainger-college-of-engineering/).