Физиками создана неуязвимая оптическая структура

Международный коллектив физиков с участием сотрудника МГУ создал наноструктуру с топологически защищенными краевыми состояниями и с её помощью впервые продемонстрировал усиление нелинейно-оптических эффектов. Результаты работы можно использовать для создания активных устройств фотоники и интегральной оптики. Исследование опубликовано 17 декабря в престижном научном журнале Nature Nanotechnology.

Существующие оптические интегральные чипы или волноводы часто обладают микродефектами в конструкции. Когда свет на своём пути сталкивается с таким дефектом, то возникает паразитное рассеивание. Из-за этого световой сигнал с расстоянием затухает или искажается. Чтобы избежать паразитных эффектов, учёные создают различные топологически защищённые оптические системы.

«Топологическая фотоника — относительно молодая наука, которая появилась как результат расширения идей физики конденсированного состояния вещества на оптические системы, — рассказал один из авторов исследования, сотрудник Центра квантовых технологий (ЦКТ) физического факультета МГУ Александр Шорохов. — За последние несколько лет, помимо топологически защищенных волноводов, было продемонстрировано множество интересных эффектов, в частности необратимая лазерная генерация в интегральных топологических резонаторах, а также квантово-оптические топологически защищенные системы».

Чтобы создать полностью топологически защищённую структуру в оптике, необходимо преодолеть принцип обратимости. Ранее для этого использовали магнитооптические эффекты, требующие приложения сильных магнитных полей. Однако это технически сложно реализовать в рамках компактных устройств, таких как интегральные фотонные чипы. Другой путь преодолеть принцип обратимости — это использование нелинейно-оптических эффектов, однако экспериментальной реализации таких эффектов в топологических фотонных структурах до сих пор не было продемонстрировано. Международному коллективу физиков под руководством Сергея Крука и Юрия Кившаря (Австралийский национальный университет) удалось разработать, создать и исследовать такую наноструктуру.

«В представленной работе нам удалось создать наноструктуру с топологически защищенными краевыми состояниями и впервые с ее помощью продемонстрировать усиление нелинейно-оптических эффектов, — пояснил Александр Шорохов. — Мы показали, что система устойчива к структурным дефектам и возмущениям, и кроме того, за счет уникального взаимодействия топологии и нелинейного отклика, обладает необратимостью».

Разработки в области фотоники всё чаще привлекают широкое внимание научной общественности. Интегральная оптика перспективна для решения многих задач и часто превосходит возможности классической электроники из-за меньшего энергопотребления и большего быстродействия. Одним из таких примеров может быть реализация нейронных сетей для анализа данных с помощью интегральных фотонных цепей. Однако существующие оптические системы тоже несовершенны: почти невозможно создать структуры без дефектов в конструкции, которые приводят к дополнительным потерям за счет рассеяния. Разработки в области топологической фотоники и нелинейной оптики могут помочь справиться с подобными проблемами и приблизить появление принципиально новых устройств.

В исследовании принимали участие сотрудники МГУ имени М.В.Ломоносова, Университета ИТМО (Санкт-Петербург), Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород), Австралийского национального университета и Национальной лаборатории Ок-Ридж (США).