Красноярские ученые предложили новую структуру для фотонных топологических изоляторов на основе четырехугольной мозаики призменных резонаторов. Эта структура позволяет управлять и направлять поток света за счет его особых топологических свойств. С ее помощью можно создавать оптические лазеры, а также использовать ее для передачи информации без потерь. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Sciences.

Фотонный топологический изолятор – это такой материал или структура, в котором излучение распространяется по поверхности, но не в объеме. Луч света не может проникнуть в изолятор глубоко и распространяется вблизи поверхности. Такой эффект возникает благодаря особым топологическим свойствам света, которые не меняются, даже если мы изменяем форму или размер устройства. Обычно фотонные топологические изоляторы состоят из массива спиральных волноводов и массива кольцевых резонаторов. Они могут использоваться для передачи информации без потерь, из них можно сделать топологический лазер и другие фотонные устройства.

Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и Сибирского федерального университета предложили новую платформу для фотонных топологических изоляторов – структуру на основе четырехугольной мозаики идентичных призменных резонаторов. Новая структура состоит из маленьких призм, которые могут удерживать свет внутри себя. Это позволяет ученым контролировать движение фотонов — частиц света, и направлять их в нужную сторону.

Четырехугольная мозаика призменных резонаторов позволяет организовать их в двумерном массиве особым образом. Каждая элементарная ячейка массива содержит четыре призмы, одна из которых остается пустой. Это позволяет свету свободно перемещаться внутри массива, меняя направление своего распространения за счет отражения от открытых граней призм. Такая траектория света остается стабильной, даже если количество призменных резонаторов изменяется.

«Для резонаторов важен материал, из которого изготовлены призмы. Чем выше показатель преломления этого материала, тем больше диапазон углов падения света, при которых можно получить устойчивую топологическую траекторию. Поэтому мы отказались от обычного стекла в пользу высокопреломляющего боросиликатного стекла, — рассказывает один из авторов работы, инженер Красноярского научного центра СО РАН Пётр Ким. — Мы также экспериментально продемонстрировали траекторию лазерного пучка вблизи поверхности массива, измерили интенсивность проходящего света и его потери в структуре. Топологическая устойчивость траектории позволяет изменять структуру поверхности массива, пространственный масштаб резонаторов, а также длину волны излучения. Новая платформа является основой для создания активных топологических фотонных устройств и лазеров».

Ученые отметили, что в дальнейшем собираются рассмотреть практическую реализацию мозаики из треугольных и шестиугольных призменных резонаторов. «Преимущество шестиугольной мозаики в том, что угол отражения составляет 60° (т.е. критический угол), значит такой тип изолятора может быть экспериментально реализован с использованием оптического материала с показателем преломления менее чем 1,43 (так как критический угол, при котором появляется топологически устойчивое состояние, прямо пропорционален показателю преломления)», – отметил Петр Ким.

«Чтобы понять, как это работает, представьте лабиринт из зеркал и попробуйте получить устойчивый луч. Убираете часть зеркал, или ставите новые зеркала, а луч огибает препятствие и возвращается на свою прежнюю траекторию. В нашей мозаике можно убрать почти все призмы, или периодически достроить мозаику, и это не помешает лучу вернуться на свою суперустойчивую траекторию. На сегодня это самый простой известный нам способ показать, как устроены топологические изоляторы в частном случае. В то же время убедиться в единой математической природе фотонных структур оказалось совсем не просто», – пояснил заведующий лабораторией фотоники молекулярных систем Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Иван Тимофеев.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-42-08003).