Ученые увидели топологические эффекты в новом метаматериале из волноводов

Топологическая фотоника — направление физики, которое в том числе изучает как свет (от микроволн до инфракрасного излучения) распространяется в специально созданных структурах. В таких материалах свет движется по заданным траекториям, не расплываясь вглубь структуры и не рассеиваясь на несовершенствах образца. Эти свойства могут пригодиться для создания новых оптических устройств — волокон для эффективной передачи сигнала и мощных источников света, состоящих из множества отдельных синхронизированных друг с другом лазеров.

Материалы, в которых свет распространяется по определенным траекториям, создают из искусственных «кирпичиков» с уникальными свойствами — мета-атомов. Это могут быть кольца, соединенные особым образом, или слоеные столбики из нескольких веществ. После тонкой настройки геометрии и свойств мета-атомов в этих системах ученые наблюдают топологические эффекты — явление, при котором физические свойства системы определяются ее глобальной структурой и мало чувствительны к дефектам отдельных частей. Например, на некоторых частотах свет распространяется только на краях или в углу структуры, но не рассеивается в объем решетки даже если внести беспорядок.

Важный вопрос — как можно получить такие структуры, пригодные для оптического диапазона. В своей работе ученые из Университета ИТМО и Чилийского университета предложили новый способ, как можно создать топологические состояния для видимого диапазона света.

Исследователи создали материал из фотонных «молекул» — связанных между собой волноводов, по которым перемещается свет. Эти микроскопические канальцы «записали» в стекле с помощью фемтосекундного лазера — лучи локально меняли показатель преломления в материале (это возможно из-за частичной полимеризации молекул).

Фемтосекундный лазер вырезает волноводы в образце стекла / © M. Mazanov et al. / Nano Letters, 2024

После этого на край материала посветили другим лазером, излучающим красный свет. Ученым удалось добиться таких параметров, чтобы свет не распространялся по всей решетке, а концентрировался только на ее краю — это позволило подтвердить, что они наблюдали топологический эффект.

Схемы решеток, в которых наблюдаются топологические эффекты. Источник: Слева — Klembt, S., et al. / Nature, 2018, справа — Miguel A. Bandres et al. / Science, 2018.

Этот подход открывает новые возможности для изучения топологии в оптическом диапазоне. Во-первых, предложенная конфигурация поддерживает вдвое больше топологических состояний и позволяет тонко настраивать их свойства. Во-вторых, сама решетка сделана таким образом, что качество волноводов может быть далеко от идеала, а форма отверстия, которое прорезает фемтосекундный лазер, может сильно различаться.