Квантовая физика Холла, по своей сути топологическая, была замечена в электронных устройствах и в разреженных атомных ансамблях. В случае двумерных электронов ток течет по краю / границе раздела («краевые состояния») даже при наличии дефектов или других физических искажений в образце — это происходит из-за общих свойств материала.
Это странно по сравнению с обычными проводниками / изоляторами, где транспортировка затруднена из-за наличия беспорядка.В выпуске журнала Nature Photonics на этой неделе ученые Объединенного квантового института сообщают о первом наблюдении таких топологических эффектов для света в двух измерениях. Для этого они построили структуру, направляющую инфракрасный свет по поверхности кристалла кремния на изоляторе, имеющего комнатную температуру.
Удивительно, но они непосредственно наблюдали за светом, бегущим вокруг границы, непроницаемой для дефектов. Эти фотонные «краевые состояния» прямо аналогичны квантовому эффекту Холла для электронов.Поскольку кремний является предпочтительным материалом для большей части электроники, эта новая конструкция способствует миниатюризации технологии оптической связи, приближая фотоны к их электронным аналогам.
Эта работа является воплощением теоретического предложения той же группы ученых JQI и их сотрудников более года назад.Краевые состояния и кольцевые резонаторы
Электроны могут занимать топологические краевые состояния, потому что они являются заряженными частицами, энергетический спектр которых может быть резко изменен сильными магнитными полями. Чтобы упростить, магнитное взаимодействие является ключевым для реализации квантовых состояний Холла.
Здесь возникает вопрос, как исследователи могут создать материал, в котором фотоны — безмассовые, беззарядные пакеты энергии — текут, как если бы ими манипулировал сверхсильный магнит. Другими словами, как можно изменить энергетический спектр света для поддержки устойчивых топологических состояний? И как выглядят эти фотонные краевые состояния?
В конструкции JQI свет движется через двумерный ландшафт, состоящий из почти плоских кольцевых кремниевых волноводов, называемых резонаторами. Для сравнения, арена для электронов обычно находится на двумерной границе раздела двух листов полупроводника.
Ученые JQI показали, что свет действительно может при определенных обстоятельствах циркулировать по краю кремниевого чипа без значительных потерь энергии и делать это даже при наличии дефектов.Массив кремниевых колец предназначен для того, чтобы световые волны внутри — "резонировали" — только если они имеют правильную длину волны (окружность кольца равна целому числу длин волн). Другими словами, если частота света соответствует резонансным условиям кольца, он войдет в волновод и сделает множество цепей.
В нерезонансных условиях в кольцо будет попадать меньше света. Свет с одной поляризацией (электрическое поле света направлено вверх или вниз), кроме того, будет циркулировать преимущественно в одном направлении вокруг кольца, по или против часовой стрелки. Для энтузиастов режимы по часовой и против часовой стрелки в сочетании с конструкцией массива резонаторов позволяют фотонной системе быть аналогичной электрону (спину), взаимодействующему с магнитом. Исследователи создали фотонную систему, которая испытывает так называемое синтетическое или эффективное магнитное поле [[см.
Эту ссылку на проектное предложение этой же группы и эту ссылку на синтетические поля в ультрахолодных атомах]].Это нарушение симметрии движения вокруг колец — это то, что может вызвать подавление распространения света через корпус устройства, но не по краю. Это также то, что уменьшает количество световой энергии, расходуемой впустую, когда свет рассеивается, движется назад по краю или встречается с дефектом, таким как дефектное кольцо резонатора.
Таким образом, устройство JQI демонстрирует отличительную черту топологического поведения: постоянный поток в форме граничного состояния и почти невосприимчивость к дефектам. Ученые изо всех сил намеренно отключили некоторые резонаторы, имитируя тем самым промышленные условия массового производства — процесс, подверженный присутствию неисправных компонентов даже в самых лучших условиях изготовления. Также они продемонстрировали краевое обтекание при наличии непредвиденных дефектов в устройстве.
Во всех этих переходах от резонатора к резонатору, по крайней мере, немного света теряется, и эту потерянную энергию исследователи используют для отображения световых путей через устройство. Когда решетка резонаторов настроена на правильную частоту и температуру для общего (нетопологического) пропускания, вы получаете вот что: свет проходит через всю решетку. Однако, когда система настроена на облегчение граничных состояний, конечно, свет не проходит через тело массива; он только огибает край массива — в прямой аналогии с движением электронов в квантовом холловском состоянии. Примечательно, что эта схема является реализацией квантового спинового эффекта Холла, где фотонные (псевдо-) спины заменяют заряд электрона.
Возможные применения«Настраивая резонаторы в зависимости от температуры, мы можем сделать этот топологический массив достаточно гибким», — говорит Джейкоб Тейлор, один из исследователей JQI. «Массив не предназначен только для одной частоты». Кроме того, архитектура массива, которая может быть расширена в соответствии с потребностями, соответствует ожиданиям, что такие компоненты, как этот, необходимо будет масштабировать для использования в будущих квантовых компьютерах, особенно тех, которые используют фотоны как части гибридных электронов. -фотонно-атомные системы.
Ученый и ведущий автор JQI Мохаммад Хафези объясняет, почему краевые состояния для фотонов могут иметь преимущество перед краевыми состояниями электронов для определенных приложений: «Фотонные системы удивительно пластичны, поскольку фотоны можно легко направлять внутри волноводов. Поэтому можно подумать о создании фотонных системы с нетривиальной топологией, такие как лента Мёбиуса, торы и т. д. "Что можно сделать с такой фотонной решеткой?
Одним из непосредственных преимуществ краевых состояний является то, что матрицы могут использоваться для создания задержек в фотонных чипах, где желательно замедлить сигнал, не будучи чувствительным к ошибкам изготовления. Другое использование в будущем: в качестве фильтров и оптических переключателей.
Более того, концентрируя свет только в двух измерениях, а не в трех, ученые JQI считают, что они могут достичь определенных нелинейных квантовых эффектов, которые могут возникать только при интенсивном свете.