Физики создали фотонную версию электронного топологического изолятора

Немецкие ученые впервые создали бозонный топологический изолятор, в котором присутствует фермионная симметрия относительно обращения времени. Продемонстрированные результаты позволят использовать топологические состояния в фотонике, акустике и даже квантовой механике. Работа представлена в журнале Nature Materials.

В последние годы физики активно изучают топологические эффекты в физике. Например, фотонные топологические состояния могут помочь в создании топологически защищенных квантовых компьютеров: они обладают большей когерентностью, что позволяет физиками лучше управлять ими. Фотонные топологические изоляторы, в свою очередь, помогут физикам в развитии фотоники.

Фермионные топологические изоляторы, электронные системы в твердых телах, характерны наличием хиральных поверхностных токов, чье состояние защищено сохранением числа частиц и симметрией относительно обращения времени. Это ведет к тому, что поверхность топологических изоляторов очень хорошо проводит ток, в то время как все, что внутри, является изолятором. Однако считается, что для создания бозонных, в том числе и фотонных, топологических изоляторов, необходимо нарушение симметрии относительно обращения времени.

Немецкие физики из Грайфсвальдского и Ростокского университетов под руководством Лукаса Мачевски (Lukas Maczewsky) показали существование фотонных топоизоляторов при сохранении временной симметрии, свойственной фермионам (в частности — электронам). Ученые искусственно создали зонную структуру фотонной системы, в которой два встречно распространяющихся хиральных тока появляются в запрещенной зоне в объеме изолятора, что характерно для фермионного топологического состояния.

В качестве экспериментальной демонстрации фотонного топологического изолятора физики построили оптическую систему, состоящую из лазера, фокусной системы и образца с решеткой из микронных волноводов. Используя детектор, ученые показали наличие двух встречных хиральных токов, что доказывает построенную теорию.

Недавно мы писали о том, как российские физики использовали электронную схему, чтобы эмулировать фотонное топологическое состояние. Топология в физике очень интересная тема, например, в 2016 году за открытие топологических эффектов в физике конденсированного состояния вручили Нобелевскую премию, а в 2018 году ученые из России впервые изготовили топологические наноструктуры для нелинейной генерации света.

Михаил Перельштейн