Продемонстрирован фотонный аналог топологического изолятора

В вышедшем на этой неделе номере Nature Photonics ученые из Объединенного квантового института (Joint Quantum Institute, JQI) сообщают о первом опыте наблюдения двумерного распространения света — аналога квантовому эффекту Холла для электронов в топологических изоляторах.

В созданной ими структуре двумерным «каналом» для инфракрасного света служила поверхность чипа SOI (кремний на изоляторе). Использование кремния создает предпосылки для внедрения такой конструкции в устройства для оптических коммуникаций.

Данная работа стала реализацией теоретического предложения, выдвинутого той же группой ученых JQI более года назад. Их идеей было создание фотонной системы с так называемым синтетическим, или эффективным магнитным полем. Магнитное взаимодействие является ключевым условием реализации квантового эффекта Холла в топологических изоляторах.

В предложенной конструкции плоская поверхность состоит из почти двумерных кольцевых кремниевых волноводов-резонаторов. Физики JQI показали, что при определенных обстоятельствах свет может циркулировать по границе кремниевого чипа без существенной потери энергии даже при наличии дефектов. В зависимости от его поляризации свет будет иметь предпочтительное направление циркулирования в резонаторе: по или против часовой стрелки. Получившаяся фотонная система будет аналогична электронным спинам, взаимодействующим с магнитом.

Если массив резонаторов настроен (частотой и температурой) на общую (не топологическую) передачу, свет проходит через него. Но при настройке, способствующей возникновению граничных состояний, свет распространяется по границе массива, не проникая внутрь. Это прямая аналогия топологическому движению электронов, а схема является реализацией квантового спинового эффекта Холла, с фотонными псевдо-спинами вместо заряда электронов.

Какую практическую пользу можно извлечь из подобных фотонных массивов? Наиболее очевидными приложениями могут стать линии задержки в фотонных чипах, будущие фильтры и оптические коммутаторы. Кроме того, концентрируя свет в двух измерениях вместо трех, физики JQI надеются реализовать некоторые нелинейные квантовые эффекты, проявляющиеся только в условиях высокой интенсивности светового излучения.