Фотонно-фононний прорив: фізики поєднали два стани речовини

28

У роботі використовувалися принципи топологічної фотоніки — нової дисципліни, яка вивчає можливості реалізації станів світла, захищених від розсіювання на неоднорідних структурах, і перспективних з точки зору створення пристроїв, стійких до безладу. Це необхідно для повної оптичної обробки інформації.

Дослідники міського коледжу нью-йорка (ccny) створили комбінацію фотон-фононів в гексагональному нітриді бору (hbn) і продемонстрували платформу для управління і направлення гібридних станів світла і коливань решітки. Нагадаємо, що фотони-це безмасові частинки, здатні існувати, тільки рухаючись зі швидкістю світла, а фонони — кванти коливань атомів кристалічної решітки або звукових хвиль.

фізики вперше змогли об’єднати два стани матерії, скомбінувавши фотони з фононами

Топологічні крайові стани утворилися фонон-поляритонів (складових квазічастинок, що виникають при взаємодії фотонів з елементарними збудженнями середовища) несли ненульовий кутовий момент, прив’язаний до напрямку їх поширення. За словами учасників дослідницької групи, ця фізична якість дозволяла легко транспортувати їх. В результаті топологічні квазічастинки направляли інфрачервоні фонони, пов’язані зі спіральними інфрачервоними фотонами, по довільних шляхах і різких вигинів.

Коли фотони обертаються під час свого руху, топологічні особливості наділяють їх спіральністю, що призводить до унікальних характеристик: стійкості до дефектів і односпрямованого поширення вздовж меж розділу між топологічно різнорідними матеріалами. Таким чином, спіральні фотони можуть використовуватися для перенесення інфрачервоного світла і вібрацій.

топологічно різні фотонні кристали (помаранчевий і синій) з шаром гексагонального нітриду бору зверху. Зображення: filipp komissarenko / sriram guddala

Як відомо, інфрачервоне світло і коливання решітки пов’язані з теплом, і тепер вчені створили нові канали для спільного поширення світла і тепла. Зазвичай виникають складнощі з контролем коливань решітки, і до недавнього моменту їх було неможливо направити так, щоб вони обходили дефекти і гострі кути.

Цей метод дозволив змінювати напрямок поширення коливань по цих каналах вперед або назад, просто використовуючи перемикання поляризаційної спрямованості падаючого лазерного променя. Цікаво, що при поширенні фонон-поляритонів коливання решітки також обертаються по спіралі разом з електричним полем.

Дослідження топологічної фотоніки підтримує майбутні досягнення в області раманівської спектроскопії, яка вивчає здатність молекул до комбінаційного (раманівського) розсіювання світла, і інфрачервоної спектроскопії, що досліджує взаємодію інфрачервоного випромінювання з речовинами. Надалі його можна буде використовувати для вивчення та ідентифікації хімічних речовин. Крім того, нова методика допоможе реалізувати спрямовану радіаційну теплопередачу — форму передачі енергії, при якій тепло розсіюється за допомогою електромагнітних хвиль.