Российские исследователи первыми в мире разработали структуру, которая позволяет произвольно контролировать движение электромагнитных волн в трехмерном пространстве, не теряя при этом значительных объемов энергии.
Эта инновация, известная как трехмерный фотонный топологический изолятор, станет основой для фотонных интегральных схем, сообщает пресс-служба Университета ИТМО.
«Эту разработку можно применять для создания компактных, высокоемких, энергоэффективных и отказоустойчивых фотонных интегральных схем и оптических чипов. Это перспективная альтернатива традиционным электронным устройствам, которая может стать аппаратной основой для более быстрых вычислительных архитектур ИИ», — говорится в сообщении.
Созданная при поддержке Российского научного фонда структура относится к категории топологических изоляторов. Они представляют собой класс материалов, которые проводят электрический ток или электромагнитное излучение исключительно на поверхности — частицы в этом поверхностном слое ведут себя очень стабильно, что интересно для разработки фотонных чипов и квантовых компьютеров.
Ранее физикам удавалось создавать двумерные фотонные топологические изоляторы, однако уже в 2017 году ученые из Университета ИТМО совместно с зарубежными коллегами теоретически предсказали существование трехмерного фотонного топологического изолятора и описали его физику. Переход к трехмерному пространству позволяет более гибко управлять движением света, однако возникает проблема возможных утечек энергии на границе между материалом и окружающей средой.
Российские исследователи установили, что созданный ими материал, имеющий структуру, напоминающую слоеный пирог, лишен этой проблемы: в каждом слое присутствует множество шайбообразных керамических структур. Когда частицы света взаимодействуют с этими «шайбами», они получают псевдоспин — уникальную характеристику, связанную с поляризацией фотона. В зависимости от состояния псевдоспина, фотоны начинают двигаться в определенном направлении внутри структуры, что позволяет контролировать их движение в 3D-пространстве.
«Мы продемонстрировали, что то, что ранее считалось потерями, на самом деле может стать функциональным преимуществом. Используя открытые поверхности трехмерного топологического изолятора, мы научились управлять направлением излучения и маршрутизацией волн, воздействуя на псевдоспины. Это принципиально новый инструмент для реализации будущих фотонных устройств и оптических чипов», — подытожил старший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО Дмитрий Жирихин, чьи слова приводит пресс-служба вуза.
Фото: hi-tech.mail.ru