Новые свойства топологических изоляторов будут использованы в создании квантовых компьютеров

Дата публикации: 19.03.2015

Последние несколько лет все чаще звучат предположения, что следующая Нобелевская премия по физике будет вручена за открытие топологических изоляторов – особого типа материала, представляющего собой диэлектрик (изолятор) внутри и проводящий электрический ток на поверхности. Такой тип изоляторов может быть использован в оптических чипах, линиях связи и квантовых компьютерах.

Ученые из Международной лаборатории «Метаматериалы» Университета ИТМО совместно с коллегами из Австралийского национального университета впервые экспериментально продемонстрировали существование нового класса оптических аналогов топологических изоляторов, в которых по поверхности распространяется не электрический ток, а электромагнитное излучение. Статья авторов с результатами исследований принята к публикации в популярный престижный журнал Physical Review Letters.

Подробнее об экспериментах с топологическими изоляторами рассказывает один из авторов, научный сотрудник лаборатории Александр Поддубный.

- О чем будет ваша статья в Physical Review Letters?

- Топологические изоляторы исследуются примерно с 2005 года. Это материалы, в объеме которых существует так называемая «запрещенная зона», где они не могут проводить электрический ток: он может идти только по особым проводящим состояниям, которые распространяются по поверхности материала без рассеяния на примесях и дефектах.

Термин «топология» в их названии как раз отражает те особенности материалов, благодаря которым проводящие состояния устойчивы к рассеянию. Открытие графена – двумерного материала из атомов углерода, который хоть и не является топологическим изолятором, – также подтолкнуло ученых к исследованию схожих систем. Наша работа посвящена оптическим аналогам твердотельных топологических изоляторов, в которых распространяются не электроны, а электромагнитные волны или свет. Такие структуры появились совсем недавно, а активно изучаются всего пару лет. Мы исследуем вид колебаний, возбуждающихся в сложных колебательных системах, так называемые моды.

Почему нас интересует этот процесс? Сегодня нанофизика и наномир развиваются быстрыми темпами: многие физические объекты стараются уменьшать. Потому что если объект большой, его поверхность – весьма незначительная его часть, остальное находится внутри, в центре. А если объект маленький, его поверхность становится очень важной частью различных физических процессов. И чем меньше система, тем важнее свойства ее краев и, следовательно, краевые состояния.

Этим исследованием мы начали заниматься осенью прошлого года, когда подумали: раз все вокруг изучают топологические изоляторы, то, может, и мы сможем что-то сделать полезное в этом направлении? В итоге после исследований и череды экспериментов нам удалось продемонстрировать новый класс электромагнитных структур, в которых наблюдаются топологически нетривиальные краевые состояния. Мы экспериментально подтвердили наличие данных состояний. Более того, смогли управлять пространственным распределением электромагнитного поля путем изменения поляризации падающей электромагнитной волны. На понятном бытовом примере это может выглядеть как зигзаг из бусинок, у которого светится или правый край, или левый, или сразу оба.

- А в чем уникальность этого открытия?

Внимание ученых всего мира сейчас обращено к исследованиям в этом направлении. В России тоже проводится много работ по изучению твердотельных топологических изоляторов, но исследования электромагнитных топологических изоляторов ведутся пока только в Санкт-Петербурге: в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе и нашей лаборатории в Университете ИТМО.

Нам удалось предложить новый класс электромагнитных структур, в которых наблюдаются топологически нетривиальные краевые состояния, к тому же мы экспериментально подтвердили наличие данных состояний в зигзагообразном массиве резонансных диэлектрических частиц. В отличие от существовавших ранее работ, краевые состояния в наших структурах являются субволновыми, то есть их пространственный размер меньше длины волны электромагнитного излучения, что позволяет добиваться краевых состояний меньше длины световой волны. До сих пор таких экспериментов не проводилось.

- Есть ли практическое применение у этой разработки?

- Сейчас это фундаментальное исследование, поэтому о практическом применении говорить еще рано. Но бурный интерес к нему существует в виду потенциального применения новых структур для контроля над распространением света в оптических чипах, наноструктурах и линиях связи, что позволит увеличить скорость и качество обработки сигналов.

Например, сейчас в чипах информация идет по металлическим проводам, а они нагреваются, из-за этого электроны движутся хуже. Использование наших систем позволит решить эту проблему.

Замечания рецензентов мы получили только в декабре. Отзывы были жесткие, но с ними можно было работать, и в итоге это пошло нам на руку. Мы значительно улучшили статью, получили больше ответов на свои вопросы и планируем продолжать исследования. До сих пор мы изучали одномерные краевые состояния и линейные системы, а хотелось бы изучить и нелинейные.

Пресс-служба Университета ИТМО