Скирмионы — это локализованные возбуждения в материалах, которые сохраняют свою структуру благодаря топологическим ограничениям (то есть ограничениям, возникающим из свойств, которые остаются неизменными при плавных деформациях). Эти квазичастицы, впервые введённые в физике высоких энергий и квантовой теории поля, с тех пор привлекли большой интерес в физике конденсированных сред и фотонике благодаря своему потенциалу в качестве надёжных носителей для хранения информации и управления ею.
Исследователи из Университета Сунь Ятсена и Тяньцзиньского университета недавно сообщили о первой экспериментальной реализации однофотонных квантовых скирмионов (то есть локализованных световых структур) в полупроводниковой системе квантовой электродинамики (КЭД) в резонаторе. Их статья, опубликованная в Nature Physics, может открыть новые возможности для изучения взаимодействий квантового света и вещества, а также способствовать развитию фотонных квантовых устройств.
«Наша работа была мотивирована давней задачей — реализацией топологических фотонных структур, в частности скирмионов, на квантовом уровне», — рассказал Ying Yu, соавтор статьи, изданию Phys.org.
«Хотя оптические скирмионы были продемонстрированы в классической оптике с использованием объёмных установок, создание их с помощью одиночных фотонов на чипе оставалось нерешённой задачей. Мы стремились преодолеть этот разрыв, используя твердотельную квантовую электродинамику (cQED) с инженерной спин-орбитальной связью для генерации однофотонных скирмионов».
Основная цель недавнего исследования Ю и его коллег
Основная цель недавнего исследования Ю и его коллег заключалась в реализации квантовых скирмионов с помощью детерминированно связанной системы на основе квантовых точек в микрорезонаторе. Кроме того, команда хотела изучить топологические свойства этих квазичастиц и оценить их устойчивость к возмущениям.
«Мы разработали и изготовили полупроводниково-диэлектрическую гауссову микрополость с сильной фотонной спин-орбитальной связью, которая поддерживает скирмионные моды в резонаторе», — пояснил Ю.
«Эти моды представляют собой тщательно сконструированные суперпозиции состояний Лагерра-Гаусса, которые несут орбитальный угловой момент, что необходимо для формирования скирмионов. Поместив одиночную квантовую точку InAs в центре этой полости под действием магнитных полей, мы смогли выборочно связать излучение точки с круговой поляризацией с определёнными модами резонатора и генерировать одиночные фотоны, поляризационные состояния которых формируют скирмионные текстуры».
Для реализации квантовых оптических скирмионов исследователи использовали сочетание различных технологий и экспериментальных методов. Наиболее заметными среди них были точно спроектированная система микрорезонаторов, тщательное позиционирование квантовых точек в этой системе и сбор однофотонных измерений с разрешением по поляризации.
«Мы первыми экспериментально реализовали квантовые оптические скирмионы — одиночные фотоны, несущие скирмионные поляризационные текстуры, — на интегрированной нанофотонной платформе», — сказал Ю. «Помимо демонстрации их детерминированной генерации, мы также проверили их топологическую инвариантность при оптических возмущениях».
Это недавнее исследование Ю и его коллег может открыть новые ценные возможности для развития квантовых фотонных систем и хиральной квантовой оптики. В будущем вновь реализованные квантовые скирмионы могут быть использованы для разработки квантовых информационных систем, протоколов квантовой связи высокой размерности и топологически защищённых квантовых запоминающих устройств.
В рамках своих следующих исследований учёные надеются реализовать другие скирмионные структуры, используя аналогичные экспериментальные методы. Например, они хотели бы создать скирмиониумы — составные топологические структуры с настраиваемой топологией, которые могут оказаться полезными для развития спинтронных и квантовых устройств.
«Мы также ищем способы генерации запутанности между поляризацией и скирмионами на одном фотоне без внешних магнитных полей», — добавил Ю.
«Кроме того, мы стремимся интегрировать эти устройства в масштабируемые фотонные схемы, что потенциально может привести к созданию новых архитектур для квантовых вычислений и обработки информации. Мы также изучаем возможность использования анизотропных и хиральных материалов для дальнейшего контроля и разнообразия топологических характеристик излучаемых фотонов».
© 2025 Science X Network
More from Optics