Объекты с необычной топологией теперь видно издалека

Международный коллектив ученых разработал новый метод исследования топологических структур и топологических фазовых переходов в них. В основе метода — изучение спектра отражения электромагнитных волн от объекта при различных углах падения. Достоверность результатов, полученных новым способом, проверена экспериментально как в инфракрасной, так и в микроволновой области спектра. Результаты опубликованы в Nature Communications.

Топология — раздел математики, который изучает свойства объектов, которые не меняются при их непрерывной деформации. Например, с точки зрения топологии между бубликом и кружкой нет никакой разницы, потому что в них есть по одному отверстию. Несмотря на абстрактность, топологию используют для создания новых необычных материалов, с помощью которых, например, можно управлять распространением света без рассеяния на изгибах, дефектах или неоднородностях в оптической системе.

Для того, чтобы обнаружить топологически нетривиальные структуры, ученые, как правило, сканируют распределение ближнего поля объекта, то есть собирают излучение объекта, приближаясь к нему ближе, чем длина волны. Полученная карта ближнего поля позволяет сделать выводы о топологии фотонных зон образца. Так, например, можно определить, реализуются ли в объекте краевые топологические состояния и в какой мере они защищены от рассеяния на дефектах и неоднородностях.

Международный коллектив ученых предложил новый метод изучения топологических структур на основе спектроскопии дальнего поля объекта. «Мы поставили перед собой вопрос: проявляются ли топологические свойства системы в том, как она рассеивает свет на больших расстояниях? — рассказывает соавтора работы Максим Горлач из Университета ИТМО. — Чтобы узнать ответ, наши коллеги под руководством Александра Ханикаева разработали и изготовили две двумерные структуры из кремниевых цилиндров с несколько разными геометрическими параметрами. Одна из них была тривиальной, в то время как другая была топологической».

Проанализировав спектры полученных образцов, ученые разработали теоретическую модель, которая описывает полученные в ходе измерений данные. Она позволяла определить топологический инвариант структуры. Эта модель и легла в основу метода спектроскопии дальнего поля.

Преимущество нового метода в том, что он позволяет исследовать топологию объекта дистанционно. «Больше не нужно снимать распределение поля прямо на поверхности структуры. Можно издалека понять, есть ли необычные топологические состояния в материале. Кроме того, разрабатывая методику, мы показали, что в топологических структурах могут быть потери энергии, но топологические краевые состояния в них все равно сохраняются, — добавляет Горлач. — Теперь мы планируем применить новый метод для изучения трехмерных топологических изоляторов и надеемся получить новые интересные результаты».

Ранее топологические состояния предлагалось использовать исключительно для защищенной передачи сигналов. Но теперь, по словам ученых, спектр задач, которые могут выиграть от топологического характера фотонных мод, станет гораздо шире. «Известно, что методы нанофабрикации сами по себе ограничены по точности в силу различных технологических причин и фотонные наноструктуры неизбежно содержат дефекты, — отмечает руководитель проекта Александр Ханикаев. — Это, в свою очередь, ведет к потерям в эффективности и точности устройств, изготовленных такими методами. К примеру, любой биосенсор, изготовленный при помощи методов нанофабрикации, будет иметь предел в точности измерений, обусловленный исключительно присутствием дефектов. Сейчас, используя топологические состояния в конструкции такого детектора, мы можем значительно повысить его чувствительность и точность, несмотря на наличие структурных дефектов».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.