Учёные из Инженерного колледжа имени Грэнджера при Иллинойском университете 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, представляя новый подход к оптической невзаимности и фотонной гирации.
Экспериментальные системы в photonics часто считаются закрытыми 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, предложенное теоретически Хатано и Нельсоном в середине 1990-х годов, которое порождает уникальные эффекты, кажущиеся нарушением принципа взаимности, такие как неэрмитов эффект кожи. Однако такие асимметричные взаимодействия не встречаются в природных материалах.
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 позволяют исследователям изучать и лучше понимать материалы, которые были предложены теоретически или которые могут быть синтезированы в будущем.
«Хотя асимметричные связи типа Хатано-Нельсона были реализованы в электронных и механических метаматериалах, никто ещё не обнаружил обобщаемого подхода, который можно было бы использовать независимо от типа метаматериала», — сказал Гаурав Баhl, профессор механической науки и инженерии имени Джорджа Б. Грима и старший автор статьи.
«Конечно, в оптике было проведено очень мало работ по этому направлению. Оптические устройства могут быть очень сложными в работе, а предыдущие эксперименты, в которых генерировались асимметричные взаимодействия, требовали оптического усиления, которое вообще недоступно в большинстве материалов», — добавил он.
Вместо этого лаборатория Бахла обнаружила, что изменение индекса материала как во времени, так и в пространстве может легко создать эту асимметрию. Чтобы проверить эту гипотезу, они создали двухрезонаторную «фотонную молекулу» с использованием [литий ниобата](https://phys.org/tags/lithium+niobate/) (материала, в котором модуляцию можно индуцировать, подавая 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, что приводит к эффекту, который выглядит точно так же, как связь Хатано-Нельсона. Самое приятное то, что метод полностью не зависит от используемой системы и может быть использован в электронике, акустике или даже сверхпроводящих квантовых устройствах».
Первоначальная цель исследования состояла в том, чтобы довести эту асимметрию до точки идеальной изоляции, то есть там, где взаимодействие в одном направлении равно нулю. Они 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 даже преодолеть точку изоляции, где знак связи просто менялся на противоположный, а фаза становилась зависимой от направления. Это было то, 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 таким типом настраиваемых связей могут ответить на фундаментальные вопросы топологической физики. Одновременно с инженерной точки зрения они стремятся создать чистый гиратор, который является универсальным строительным блоком многих невзаимных устройств.
Предоставлено [Инженерным колледжем имени Грэнджера при Иллинойском университете](https://phys.org/partners/university-of-illinois-grainger-college-of-engineering/)