В последние несколько лет инженеры и учёные, работающие с материалами, пытаются создать новые оптические системы, в которых световые частицы (фотоны) могут свободно и полезно перемещаться независимо от дефектов и несовершенств. Топологические фазы — уникальные состояния материи, которые определяются не локальными свойствами, а нелокальными и глобальными характеристиками, — могут обеспечить надёжное движение фотонов, несмотря на дефекты материала.
Исследователи из Университета Пенсильвании и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре недавно продемонстрировали создание изоляторов Флойкета — Черна. Это материалы, в которых периодическое воздействие осциллирующего светового поля или других внешних полей приводит к возникновению уникальной топологической фазы в нелинейной фотонной системе.
Изоляторы, представленные в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, основаны на нелинейных фотонных кристаллах — материалах с повторяющимися узорами, которые могут контролировать распространение света и по-разному реагировать на свет разной интенсивности.
Топологическая фотоника
«Топологическая фотоника изучает фотонные системы, которые демонстрируют устойчивость к дефектам и беспорядку, благодаря защите, обеспечиваемой топологическими фазами», — написали Цзичэн Цзинь, Ли Хэ и их коллеги в своей статье. «Эти фазы обычно реализуются в линейных оптических системах и характеризуются их внутренней фотонной зонной структурой. Мы экспериментально изучаем изоляторы Флойкета — Черна в периодически управляемых нелинейных фотонных кристаллах, где топологическая фаза контролируется поляризацией и частотой управляющего поля».
В рамках своего исследования Цзинь, Хэ и их коллеги сначала создали нелинейные фотонные кристаллы, которые сильно взаимодействуют со световыми полями. Затем они периодически воздействовали на эти кристаллы светом с разной поляризацией и частотой.
Исследование различных световых мод в кристаллах
Чтобы напрямую исследовать различные световые моды в кристаллах, исследователи использовали нелинейный оптический процесс, известный как «генерация суммарной частоты». Этот процесс включает в себя сбор измерений путём объединения двух световых лучей в новый луч на сумме их частот.
«Наши измерения переходной генерации суммарной частоты показывают сильную гибридизацию фотонных зон Флойкета», — написали авторы. «Измеренный спектр остаётся бесщелевым при линейно поляризованном возбуждении, но становится щелевым при циркулярно поляризованном возбуждении. Теоретический анализ подтверждает, что щель Флойкета является топологической, характеризуемой ненулевым числом Черна — следствием нарушения симметрии обращения времени, индуцированного циркулярно поляризованным управляющим полем».
В конечном итоге Цзинь, Хэ и их коллеги смогли успешно спроектировать топологическую фазу света в нелинейных фотонных кристаллах с помощью периодического воздействия. Используемые ими экспериментальные методы вскоре могут проложить путь для дальнейших исследований, направленных на лучшее понимание фундаментальных физических процессов.
В будущем созданные ими изоляторы Флойкета — Черна могут быть использованы для разработки различных технологий, включая системы оптической связи, системы, в которых обработка сигналов защищена, и инновационные устройства нелинейной оптоэлектроники.
«Эта работа открывает возможности для изучения роли классической оптической нелинейности в топологических фазах и их применения в нелинейной оптоэлектронике», — написали Цзинь, Хэ и их коллеги.