Дослідники з Об'єднаного квантового інституту (JQI) створили перший кремнієвий чіп, який може надійно обмежувати світло по чотирьох кутах. Ефект, який виникає через втручання оптичних шляхів, не змінюється невеликими дефектами під час виготовлення і може в кінцевому підсумку зробити можливим створення надійних джерел квантового світла.
Ця стійкість обумовлена ^ топологічною фізикою, яка описує властивості матеріалів, які нечутливі до невеликих змін геометрії. Поворот світла, про який було повідомлено у виданні Nature Photonics, є реалізацією нового топологічного ефекту, вперше передбаченого в 2017 році.
Зокрема, нова робота є демонстрацією квадрупольної топологічної фізики. Квадруполь - це розташування чотирьох полюсів - поглиначів і джерел силових полів, таких як електричні заряди або полюси магніту. Ви можете візуалізувати електричний квадруполь, представивши заряди на кожному куті квадрата, які чергуються позитивно-негативно-позитивно-негативно при проходженні по периметру.
Той факт, що поворот виникає в результаті фізики квадруполів, а не фізики діполів, тобто розташування тільки двох полюсів, означає його топологічний ефект більш високого порядку.
Хоча ефект повороту спостерігався в акустичних і мікрохвильових системах раніше, нова робота вперше спостерігається в оптичній системі, говорить науковий співробітник JQI Мохаммад Хафезі, старший автор статті. «Ми розробляємо інтегровані кремнієві фотонні системи для реалізації ідей, отриманих на основі топології, у фізичній системі», - говорить Хафезі. «Той факт, що ми використовуємо компоненти, сумісні з сучасними технологіями, означає, що, якщо ці системи є надійними, вони можуть бути перетворені в безпосередні додатки».
У новій роботі лазерне світло вводиться в грати резонаторів - рифлені петлі в кремнії, які обмежують світло кільцями. Розміщуючи резонатори на ретельно вимірених відстанях, можна налаштувати взаємодію між сусідніми резонаторами та змінити шлях проходження світла через решітку.
Кумулятивний ефект полягає в тому, що світло в середині чіпа заважає самому собі, в результаті чого велика частина світу, введеного в чіп, проводить свій час в чотирьох кутах.
Світло не має електричного заряду, але наявність або відсутність світла в даному резонаторі забезпечує свого роду полярну поведінку. Таким чином, структура резонаторів на чіпі відповідає сукупності взаємодіючих квадруполів - саме тієї умови, які необхідні для першого передбачення топологічних станів речовини більш високого порядку.
Щоб перевірити створений зразок, дослідники вводили світло в кожен кут чіпа, а потім отримували зображення чіпа за допомогою мікроскопа. У зібраному світлі вони побачили чотири яскравих піку, по одному на кожному розі чіпа.
Щоб показати, що загнаний в кут світ був захоплений топологією, а не був там просто в результаті того, що вони вводили лазери, вчені протестували мікросхему з зрушеними нижніми двома рядами резонаторів. Це змінило їх взаємодію із зазначеними вище резонаторами і, принаймні, теоретично, змінило місце появи яскравих плям. Дослідники знову вводили світло в кути, і цього разу - як і передбачала теорія - дві нижні яскраві плями з'явилися над рядами зміщених резонаторів, а не у фізичних кутах.
Незважаючи на захист від невеликих змін в розташуванні резонатора, пропоновану топологією, в цих мікросхемах залишається другий, більш руйнівний дефект виготовлення. Оскільки кожен резонатор не зовсім однаковий, всі чотири світлових точки в кутах світяться з трохи різними частотами. Це означає, що на даний момент мікросхема може бути не краще одного резонатора, якщо вона використовується в якості джерела фотонів - квантових частинок світла, які багато хто сподівається використовувати в якості носіїв квантової інформації в майбутніх пристроях і мережах.
«Якщо у вас є багато джерел, які за топологією змушують стигати ідентичні фотони, ви можете перешкодити їм, і це може змінити ситуацію на краще», - каже Суніл Міттал, провідний автор статті. «Я сподіваюся, що наша робота насправді надихне теоретиків задуматися про пошук моделей, які нечутливі до цього затяжного безладу на частотах резонатора».
