Аномальный топологический изолятор защитил микроволновый сигнал от больших помех

Z. Zhang et. al. / Nature, 2021

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.