Een internationaal wetenschappelijk team heeft een nieuwe methode ontwikkeld om topologische structuren en hun topologische faseovergangen te onderzoeken. De methode is gebaseerd op het onderzoeken van het reflectiespectrum van elektromagnetische golven die vanuit verschillende invalshoeken op een object worden gereflecteerd. De nauwkeurigheid van de resultaten van de methode is experimenteel geverifieerd in zowel IR- als microgolfspectra. Resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Topologie is de studie van de eigenschappen van objecten die tijdens vervorming onveranderd blijven. Topologisch gezien is een donut en een mok zijn hetzelfde omdat ze allebei een gat in het midden hebben. Topologische invarianten vormen de kern van veel belangrijke waarneembare eigenschappen van materie. Ze worden verwerkt in de creatie van nieuwe, ongebruikelijke materialen, die worden gebruikt, bijvoorbeeld, om de lichtvoortplanting in optische systemen te regelen.

Om topologisch niet-triviale structuren te detecteren, wetenschappers scannen meestal de voortplanting van het nabije veld van een object. Met andere woorden, ze bewaken de emissies van een object op een afstand die veel kleiner is dan een golflengte. Met de resulterende near-field-kaart kunnen ze conclusies trekken over de topologie van de fotonische banden van het object. Bijvoorbeeld, het is mogelijk om te bepalen of het object topologische randtoestanden bevat, en in welke mate ze worden beschermd tegen verstrooiing in gebieden met gebreken of niet-uniformiteit.

Wetenschappers van de ITMO University hebben samen met hun collega's van de City University van New York een nieuwe methode voor topologische analyse voorgesteld op basis van spectroscopie van het verre veld van een object. "We stelden de vraag:beïnvloeden de topologische eigenschappen van een systeem hoe het licht op lange afstanden verspreidt?" zegt Maxim Gorlach, research fellow bij ITMO's Metamaterials Laboratory. "Om het te beantwoorden, onze collega's, onder leiding van Alexander Khanikaev, ontwikkelde en vervaardigde twee tweedimensionale structuren met behulp van siliciumcilinders met enigszins verschillende geometrische parameters. Een was triviaal, en de andere topologische."

Het maken van dergelijke structuren is niet eenvoudig, zeggen de wetenschappers. Daarom, ze moeten de nieuwste nanofabricagemethoden gebruiken. Na de spectra van de resulterende monsters te hebben geanalyseerd, ze ontwikkelden een theoretisch model dat de resultaten van de analyse weergeeft. Het stelde hen in staat om de topologische invariant van de structuur te bepalen. Dit model werd later de basis voor de far-field spectroscopiemethode.

"Op een gegeven moment, onze recensenten toonden interesse in de vraag of we kunnen bevestigen dat de resultaten die we via far-field-analyse hebben verkregen, in overeenstemming zijn met de standaardtechniek van near-field-analyse. Om dat te doen, we voerden een microgolfexperiment uit. We creëerden een meta-oppervlak van twee delen:een topologisch triviaal en een niet-triviaal. Ons doel was om de topologische toestand op de grens van deze twee delen te observeren. Uiteindelijk, we zijn erin geslaagd een volledig diëlektrisch meta-oppervlak te produceren dat topologisch beschermde toestanden in de microgolfband bevat. Tegelijkertijd, de polarisatie van de randtoestand bleek ondubbelzinnig verbonden te zijn met de richting van zijn voortplanting. Het experiment bevestigde de nauwkeurigheid van ons model, en het artikel werd geaccepteerd, " voegt Dmitry Zhirihin toe, doctoraat student aan ITMO University Faculty of Physics and Engineering.

Het voordeel van de nieuwe methode is dat onderzoekers de topologie van objecten op afstand kunnen bestuderen. "We hoeven niet langer het voortplantingsveld direct aan het oppervlak van de structuur te onderzoeken. We kunnen nu ongebruikelijke topologische toestanden in materialen van veraf detecteren. Bovendien kunnen we toen we de methode ontwikkelden, we hebben bewezen dat, hoewel energieverlies kan optreden in topologische structuren, topologische randtoestanden bestaan ​​nog steeds, " merkt Maxim Gorlach op. "We zijn nu van plan om de nieuwe methode te gebruiken om driedimensionale topologische isolatoren te bestuderen en we verwachten een aantal nieuwe en opwindende resultaten."

Eerder, topologische toestanden werden alleen voorgesteld voor gebruik bij veilige signaaloverdracht. Maar nu, leg de wetenschappers uit, het toepassingsgebied wordt veel breder. "Het is bekend dat nanofabricagemethoden vanwege verschillende technologische redenen in precisie beperkt zijn - en fotonische nanostructuren bevatten gegarandeerd defecten. Dit leidt tot verlies van efficiëntie en nauwkeurigheid van de apparaten die met deze methoden worden geproduceerd. elke biosensor gemaakt met behulp van nanofabricagemethoden zal beperkt zijn in de nauwkeurigheid van zijn metingen, allemaal vanwege de gebreken. Met behulp van topologische toestanden bij de constructie van deze detectoren, we kunnen hun gevoeligheid en precisie verhogen - zelfs ondanks de aanwezigheid van structurele defecten, ", zegt projectleider Alexander Khanikaev.