Физики впервые изготовили фононный квадрупольный топологический изолятор
Физики из США и Швейцарии впервые изготовили метаматериал, который обладает свойствами фононного квадрупольного топологического изолятора, и исследовали его свойства. Статья опубликована в Nature.
Обычные изоляторы могут обладать электрическим дипольным моментом (например, если они находятся во внешнем электрическом поле). Такой момент не влияет на электрические заряды в объеме изолятора, но заставляет перераспределяться заряды на его поверхности. В некоторых случаях это приводит к тому, что поверхностный слой материала начинает проводить электричество, то есть изолятор становится топологическим. Современная теория топологических изоляторов существенным образом опирается на тот факт, что дипольный момент выражается через фазу Берри — из-за этого он может меняться только дискретно, то есть квантуется. Фаза Берри — это фаза, которая набегает в квантовой системе при медленном циклическом изменении некоторого внешнего параметра. Например, в эффекте Ааронова-Бома этим параметром выступает магнитное поле.
Для электрически нейтральных систем дипольный момент теряет свое значение, однако с помощью фазы Берри можно описать вещества, аналогичные «обычным» топологическим изоляторам. Например, были экспериментально получены материалы, в которых подобными свойствами обладали не электроны, а фотоны или фононы. С помощью теории топологических изоляторов можно предсказывать эффекты, связанные с зонной структурой подобных материалов, например, возникновение стабильных поверхностных колебаний.
С другой стороны, идеи, лежащие в основе теории топологических изоляторов, можно обобщить другим образом и перейти от дипольных моментов к квадрупольным (или даже к моментам более высоких порядков). В этом случае нужно учитывать не только поверхностные заряды, но и «угловые», возникающие в точках пересечения поверхностей. В самом деле, совсем недавно такая теория была разработана. Тем не менее, экспериментально квадрупольные топологические изоляторы еще никто не изучал.
Группа ученых под руководством Марка Серра-Гарсиа (Marc Serra-Garcia) и Валерио Пери (Valerio Peri) впервые изготовила квадрупольный фононный топологический изолятор на основе метаматериала и исследовала его свойства. Для этого они соединили друг с другом кремниевые пластинки размером 5 × 5 × 0,364 миллиметра, механические колебания которых описываются полем смещений. Связи между пластинками имели разную жесткость, что отвечало разным вероятностям туннелирования (hopping) фононов и позволяло смоделировать квадрупольный момент структуры. Всего в образец входило сто пластинок.
Затем ученые возбуждали колебания пластинок с помощью ультразвукового преобразователя (ultrasound air transducer). Прибор имел диаметр пять миллиметров и располагался достаточно близко к поверхности метаматериала, чтобы действовать только на одну пластинку. Амплитуду колебаний пластинки исследователи измеряли с помощью лазерного интерферометра. Наконец, ученые применили к полученной спектральной картине несколько фильтров, чтобы выделить вклады объемной, поверхностной и «угловой» частей системы.
В топологически тривиальном случае (вероятность туннелирования фононов внутри ячейки выше, чем между ячейками) система поглощала энергию только в двух диапазонах частот, причем вклады от различных частей возникали на одних и тех же частотах и уменьшались с «размерностью». Другими словами, вклад объемной части был больше, чем вклады поверхностной и угловой частей. При этом теоретически предсказанная и экспериментально измеренная ширина диапазонов в целом совпали. С другой стороны, в топологически нетривиальном случае вклад угловых ячеек оказался сравним с вкладом ячеек из объема и располагался посередине «запрещенной зоны», то есть между допустимыми в топологически тривиальном случае диапазонами энергии.
В декабре прошлого года группа ученых из США и Китая впервые изготовила двумерный топологический экситонный изолятор, используя «сцепление» электронов и дырок из соседних слоев структуры.
Дмитрий Трунин
А также измерит расстояние до них
Американские ученые разработали технологию пассивного теплового зрения HADAR, которая по инфракрасному изображению получает информацию о температуре, материалах и текстуре поверхности объектов, их излучательной способности, а также умеет измерять расстояние. Технология позволяет в ночных условиях получать изображение, сопоставимое по качеству со стереоскопическими изображениями, получаемыми обычными RGB камерами при дневном освещении. Статья опубликована в журнале Nature. Для автономной навигации и взаимодействия с людьми роботам и беспилотникам нужна информация об окружении, которую они получают с помощью камер, лидаров, сонаров или радаров. Однако обычные камеры зависят от условий освещенности и плохо работают в ночное время и при плохой погоде. Кроме этого информация, получаемая с камер не содержит физического контекста, что может приводить к некорректной работе нейросетевых алгоритмов автопилота, который, к примеру, не может отличить настоящего человека от манекена. Активные сенсоры, такие как лидары и радары, при резком росте их числа начинают взаимно влиять друг на друга. Выходом могло бы стать использование в условиях недостаточной видимости камер, работающих в инфракрасном диапазоне. Однако из-за так называемого «эффекта призрачности» получаемые тепловизором изображения обычно выглядят как пятна без четкой текстуры. Это связано с тем, что поверх отражающихся от объекта инфракрасных лучей, которые несут информацию об особенностях его рельефа, накладывается его собственное тепловое излучение, которое засвечивает эту полезную информацию. Группа ученых под руководством Зубин Джакоб (Zubin Jacob) из Университета Пердью смогла справиться с этой проблемой. Они разработали технологию под названием HADAR (акроним от слов heat-assisted detection and ranging), которая с помощью машинного обучения извлекает из изображений, полученных в инфракрасном диапазоне, информацию о температуре объектов, излучательной способности материалов, из которых они состоят, а также их физической текстуре. Кроме того, технология позволяет определять расстояние до объектов на изображении. Выделение информации о собственном излучении объектов позволяет избавиться от «эффекта призрачности» и получить информацию о текстуре. Для этого авторы используют данные из библиотеки материалов, которая содержит информацию об их излучательной способности. Инфракрасное изображение фиксируется с помощью гиперспектральной камеры, после чего данные поступают на вход нейросетевой модели, которая производит декомпозицию исходных данных, выделяя из них информацию о температуре, собственном излучении и текстуре. Для обучения алгоритма исследователи использовали как настоящие изображения, полученные с помощью камеры, так и множество сгенерированных трехмерных сцен. Возможности технологии демонстрирует одна из сцен, на которой при слабом освещении запечатлен автомобиль черного цвета и человек, рядом с которым установлен вырезанный из картона портрет Альберта Эйнштейна в натуральную величину. Изображения, полученные с помощью обычной камеры, лидара и HADAR затем использовали для определения объектов с помощью алгоритма распознавания изображений. На изображении, полученном с помощью обычной камеры, алгоритм ошибочно распознал двух людей, приняв картонную фигуру за человека. На данных, полученных лидаром, оказалось невозможно определить автомобиль. При этом HADAR смог выделить все составляющие сцены, а также определить, что одна из человеческих фигур имеет сигнатуру краски на поверхности, а вторая покрыта тканью. Созданная технология может значительно улучшить системы автономной навигации беспилотных транспортных средств и роботов, дополнив уже существующие системы или даже заменив их. HADAR позволяет определять объекты и измерять расстояние по данным, полученным в ночное время, так же хорошо, как это делают традиционные системы компьютерного зрения, которые используют данные с камер в условиях дневного освещения. По словам авторов работы, в дальнейшем им предстоит решить проблему высокой стоимости оборудования для гиперспектральной съемки и невысокой производительности алгоритма. Сейчас процесс получения изображений и их обработки занимает минуты, но для работы в режиме реального времени это время необходимо сократить. Ранее мы рассказывали, как физики создали лидар, способный распознать метровые детали с рекордного расстояния в 45 километров в условиях высокого шума и слабого сигнала.