http://www.newtonsociety.ru
http://www.newtonsociety.ru
http://www.newtonsociety.ru
ruРус Engen

Новости науки

10.03.2019

Создана поверхность, по которой свет «бежит» без потерь

Создана поверхность, по которой свет «бежит» без потерьСоздана поверхность, по которой свет «бежит» без потерь

Физики из Университета ИТМО создали первую искусственную диэлектрическую поверхность, в которой распространение электромагнитных волн не зависит от дефектов и может быть управляемым. В будущем такая структура станет основой для создания более надежных оптических приборов и линий связи. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ). Статья об исследовании опубликована в Applied Physics Letters.
Большинство материалов можно отнести к проводникам или изоляторам: они или пропускают электрический ток, или нет. Но есть и те, что проводят только в тонком слое по поверхности, — топологические изоляторы. Самое необычное их свойство в том, что проходящий ток устойчив к любым примесям и дефектам материала и «бежит» без потерь. Эту особенность называют топологически защищенным краевым состоянием.
Предыдущие исследования показали, что электромагнитными аналогами классических топологических изоляторов в определенном режиме могут быть фотонные кристаллы из ферритовых стержней (ферриты — это магнитные материалы из оксидов железа и других металлов). Однако экспериментальные установки с ферритовыми стержнями, во-первых, очень громоздкие, до нескольких метров; во-вторых, в них можно создавать топологически защищенные краевые состояния только в микроволновом частотном диапазоне. В оптическом диапазоне, то есть в диапазоне видимого и ближнего инфракрасного света, у магнитных материалов очень слабый отклик.
Новое решение для создания топологически защищенных краевых состояний в оптическом диапазоне нашел Александр Ханикаев, профессор Университета ИТМО в Санкт-Петербурге и Городского университета Нью-Йорка (США). Он первым предположил, что топологические краевые состояния можно создать в метаматериалах. Так называют искусственные вещества с уникальными электромагнитными свойствами. В них могут имитироваться свойства электронов в твердых телах, такие как спин (собственный магнитный момент электрона), и действующие на них синтетические поля.
Концепцию Александра Ханикаева подтвердил международный коллектив физиков из России, США и Австралии, эксперименты проводились на базе Университета ИТМО. Впервые топологически защищенные краевые состояния продемонстрировали в метаматериале на основе металлов. Однако с последними нельзя работать в оптическом диапазоне из-за большого поглощения света. Поэтому для следующего эксперимента использовали диэлектрический метаматериал, точнее метаповерхность — один слой искусственной структуры.
Метаповерхность состояла из основы, на которой в строгом порядке закрепили мета-атомы, сделанные из керамических дисков. Их расположили так, чтобы расстояния между ними оказались меньше длины волны видимого света. Все мета-атомы были сделаны одинаково, но повернуты по-разному: в одной части структуры ориентированы вверх, а в другой вниз. На границе между этими частями — доменной стенке — и возникали топологически защищенные краевые состояния.
Так как исследователи стремились проверить концепцию наличия топологически защищенных краевых состояний в диэлектрических метаповерхностях, эксперимент проводился не в оптическом диапазоне, где пришлось бы работать с наномасштабными элементами, а в более простом варианте, с излучением в микроволновом диапазоне. Гипотеза подтвердилась: при возбуждении электромагнитной волны на доменной стенке метаповерхности формировалось краевое состояние. Физики показали, что доменная стенка может проходить не по прямой линии, а зигзагом, и топологически защищенное краевое состояние все равно распространяется по стыку двух типов метаповерхности не отражаясь. Подобная структура в оптическом диапазоне может стать основой для «защищенных» оптических приборов.
«Нам удалось показать, что можно создать диэлектрическую метаповерхность, поддерживающую топологически защищенные краевые состояния, — говорит ведущий автор исследования, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Алексей Слобожанюк. — На основе этой работы мы уже разработали новый эксперимент с мета-атомами более простой формы, которую будет проще повторить в наномасштабах. Так можно реализовать новые оптические устройства, поддерживающие защищенные краевые состояния в оптическом диапазоне».
В исследовании участвовали также ученые из Городского университета Нью-Йорка и Университета Техаса в Остине (США) и Австралийского национального университета. 

Источник


Вы можете комментировать материалы, если зарегистрируетесь на сайте!
Запомнить

На сайте:

Интернет-журнал Ньютоновские чтения
14.05.2018
Лялин Алексей Васильевич
27.12.2017
Владислав Черепенников
Новости наукиПолитикаСолнечная система
Поиск по сайту
Карта сайта
Последнее обновление
18.03.2019 07:13