Аномальный топологический изолятор защитил микроволновый сигнал от больших помех
Швейцарские физики объединили свойства топологических изоляторов Черна со свойствами изоляторов Флоке для изготовления среды с аномально высокими изоляционными свойствами поверхностных мод. Такая среда оказалась способна однонаправленно распространять микроволновое излучение, чей сигнал был устойчивым к распределенным помехам очень большой амплитуды и к сложной форме границы. Работа опубликована в Nature.
Топологические изоляторы — это материалы, структура которых заставляет фотоны, электроны и другие типы квазичастиц двигаться только вдоль границы материала, хотя внутри никакой проводимости нет. Их главное отличие от прочих поверхностных проводников в топологической защите поверхностных состояний от дефектов и температуры с помощью присутствующих симметрий. В перспективе это поможет снизить требования к чистоте и числу дефектов для материалов фотоники, фононики и электроники. Подробнее об этом вы можете прочитать в материале «Топологически защищен».
Однако в последние несколько лет физики начали изучать топологически защищенные состояния, в которых нарушается симметрия относительно инверсии времени. Такие материалы получили название изоляторов Черна. Их особенностью стало то, что распространение волн в таких условиях можно сделать однонаправленным, избежав, таким образом, потерь на обратное рассеяние. Проблема, однако, в том, что топологическая защищенность в этом случае не безгранична: если в системе присутствует распределенный порядок с частотой флуктуаций, большей, нежели ширина запрещенной зоны, эффект пропадает.
Команда физиков из Федеральной политехнической школы Лозанны под руководством Ромена Флери (Romain Fleury) предложила и реализовала иной принцип топологической защищенности в среде, элементы которой по-разному проводили микроволновое излучение в зависимости от его направления. Они объединили свойства топологических изоляторов Флоке и со свойствами изоляторов Черна, в режим, который получил название аномального изолятора Флоке. Им удалось показать, что такой изолятор обладает беспрецедентной устойчивостью к помехам.
Изолятор, созданный учеными, представлял собой сеть, напоминающую пчелиные соты, в узлах которой располагались невзаимные микроволновых циркуляторы. Невзаимность достигалась с помощью двух ферритовых пластин сверху и снизу циркулятора. Это приводило к тому, что моды, двигающиеся внутри него в различных направлениях, распространялись по-разному. Каждый циркулятор имел три порта, которые связывали его с соседями с помощью небольших волноводных полосок переменной длины, которые отвечали за фиксированный набег фазы.
Для описания распространения излучения по такой сети физики использовали формализм, развитый при описании топологических изоляторов Флоке, в котором фаза волны играет роль квазиэнергии. Как оказалось, при таком подходе отдельные рассеиватели параметризуются с помощью только одного параметра — модуля коэффициента отражения. Изучая дисперсионные соотношения для различных значений этого параметра, они определили, что малые отражения соответствуют режиму аномального изолятора Флоке, а большие — режиму черновского изолятора. Анализ фазовых диаграмм позволил авторам выдвинуть гипотезу о большей устойчивости мод в изоляторе Флоке по сравнению с изолятором Черна.
Физики проверили эту гипотезу с помощью симуляций и эксперимента. В частности, они рассматривали распространение микроволн по такой сети в обоих режимах в присутствии резкого фазового скачка в одной из половин образца, который они вызывали удлинением волноводных полосок. В результате оказалось, что аномальный изолятор оказался устойчивым к таким искажениям, в то время как в случае изолятора Черна излучение не смогло преодолеть фазовый барьер. Исследователи повторили эксперимент для случайного разброса фазы, а также случайного разброса параметров рассеивателей. В обоих случаях потери в черновском режиме составляли 75-80 процентов, в то время как потери в аномальном режиме не превышали 10 процентов.
Для окончательной проверки устойчивости и однонаправленности сигнала в сетях сложной формы, физики изготовили образец, по форме напоминающий карту Швейцарии. Они определили в сети шесть портов, которые соответствуют шести крупным швейцарским городам, и убедились, что излучение распространяется строго от одного порта к другому по часовой стрелке даже несмотря на нетривиальную границу изолятора.
Ученые отмечают, что изготовленные ими образцы легко совместимы с технологиями печати плат и их монтажа, используемыми сегодня для работы с микроволновым излучением. Это может увеличить устойчивость сигналов в уже существующих системах. В качестве примера они приводят топологический контроль диаграмм направленности в многолучевых антеннах 5G.
С каждым годом появляется все больше примеров использования топологических изоляторов с необратимым движением волн. Не так давно мы писали о том, что такую среду изготовили для звука.
Марат Хамадеев
Это нельзя объяснить классической теорией разрушения
Физики экспериментально продемонстрировали, что скорость трещины от растяжения в хрупком нео-гуковском материале может превосходить предел, диктуемый классической моделью такого разрушения, — скорость Рэлея. Исследование опубликовано в журнале Science. Изучать механизмы разрушения в основном важно для инженерных задач: при проектировании конструкций, выборе материалов, а также для геофизики — например, при описании землетрясений. В частности, интерес представляет скорость распространения трещин при разных типах разрушений. Когда материал разрушается из-за растяжения в перпендикулярном плоскости трещины направлении, классическая линейно-упругая механика разрушения разрешает трещине распространяться не быстрее скорости Рэлея (характеристика среды). Более высокие скорости нарушают баланс между потоком потенциальной энергии в область разрушения и энергетическими затратами на рост трещины, на котором основана модель. Это ограничение, однако, не согласуется с компьютерными симуляциями поведения гиперупругих материалов, что говорит о неполноте классической модели. Тем не менее, надежное экспериментальное подтверждение скорости трещин при растяжении выше рэлеевских до недавнего времени отсутствовало. Физики из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством Джея Файнберга (Jay Fineberg) экспериментально продемонстрировали движение трещины, возникающей при растяжении, со скоростью выше рэлеевской. Для этого они использовали листы полиакриламидных гидрогелей — это хрупкий нео-гуковский материал, то есть линейно эластичный при малых относительных деформациях, в соответствии с законом Гука, и нелинейно эластичный — при росте относительной деформации. Ширины образцов по оси растяжения составляли 20–80 миллиметров, толщина — около четверти миллиметра. На поверхности этих листов исследователи наносили квадратную решетку с длиной стороны 80 микрометров, чтобы отслеживать деформации, а затем растягивали листы и следили за их разрушением при разной величине растяжения при помощи рапидной съемки. Авторы также создавали на образцах небольшие прямые борозды шириной в десятые доли миллиметра посередине между краями растяжения листа, и отдельно наблюдали за развитием трещин в таких истонченных листах. Наблюдения проводились для относительных растяжений (то есть отношений разности ширины растянутого и исходного образца к исходной ширине) вплоть до 60–70 процентов. В результате физики установили, что критическая величина относительного растяжения, при которой трещина начинает двигаться со сверхрэлеевской скоростью, составляет примерно 19±1 процентов. При этом скорость трещины нарастает по мере ее движения и стремится к пределу, который увеличивается с ростом относительной деформации, и в условиях эксперимента не зависит от истончения и ширины образца. Авторы исследовали также зависимость величины критического относительного растяжения от химического состава гидрогеля — для этого они измерили эту величину при разных концентрациях мономеров и кросс-линкеров («сшивающие» мономеры в полимер вещества). Варьируя эти концентрации вместе и по отдельности, физики выявили прямую пропорциональную зависимость между критическим относительным растяжением и квадратным корнем отношения концентрации мономеров к концентрации кросс-линкеров. По словам ученых, это указывает на переход от спиральных полимерных цепочек к растянутым цепочкам вблизи вершины трещины, что может в будущем прояснить механизм образования трещин со сверхрэлеевской скоростью распространения. Современные открытия встречаются не только за рамками линейно-упругой теории разрушения, но и в ее пределах: ранее мы рассказывали о том, как физики объяснили отталкивание между трещинами с помощью классического подхода.