Новые технологииОптика и фотоникаФизика

Кольцевые резонаторы углового света

Исследователи создали первый кремниевый чип, который может надежно ограничивать свет по четырем углам

Исследователи из Объединенного квантового института (JQI) создали первый кремниевый чип, который может надежно ограничивать свет по четырем углам. Эффект, который возникает из-за вмешательства оптических путей, не изменяется небольшими дефектами во время изготовления и может в конечном итоге сделать возможным создание надежных источников квантового света.

Эта устойчивость обусловлена ​​топологической физикой, которая описывает свойства материалов, которые нечувствительны к небольшим изменениям геометрии. Поворот света, о котором было сообщено в издании Nature Photonics, является реализацией нового топологического эффекта, впервые предсказанного в 2017 году.

В частности, новая работа является демонстрацией квадрупольной топологической физики. Квадруполь — это расположение четырех полюсов — поглотителей и источников силовых полей, таких как электрические заряды или полюса магнита. Вы можете визуализировать электрический квадруполь, представив заряды на каждом углу квадрата, которые чередуются положительно-отрицательно-положительно-отрицательно при прохождении по периметру.

Тот факт, что поворот возникает в результате физики квадруполей, а не физики диполей, то есть расположения только двух полюсов, означает его топологический эффект более высокого порядка.

Хотя эффект поворота наблюдался в акустических и микроволновых системах раньше, новая работа впервые наблюдается в оптической системе, говорит научный сотрудник JQI Мохаммад Хафези, старший автор статьи. «Мы разрабатываем интегрированные кремниевые фотонные системы для реализации идей, полученных на основе топологии, в физической системе», — говорит Хафези. «Тот факт, что мы используем компоненты, совместимые с современными технологиями, означает, что, если эти системы являются надежными, они могут быть преобразованы в непосредственные приложения».

В новой работе лазерный свет вводится в решетку резонаторов — рифленые петли в кремнии, которые ограничивают свет кольцами. Размещая резонаторы на тщательно измеренных расстояниях, можно настроить взаимодействие между соседними резонаторами и изменить путь прохождения света через решетку.

Кумулятивный эффект состоит в том, что свет в середине чипа мешает самому себе, в результате чего большая часть света, введенного в чип, проводит свое время в четырех углах.

Свет не имеет электрического заряда, но наличие или отсутствие света в данном резонаторе обеспечивает своего рода полярное поведение. Таким образом, структура резонаторов на чипе соответствует совокупности взаимодействующих квадруполей — именно того условия, которые необходимы для первого предсказания топологических состояний вещества более высокого порядка.

Чтобы проверить созданный образец, исследователи вводили свет в каждый угол чипа, а затем получали изображение чипа с помощью микроскопа. В собранном свете они увидели четыре ярких пика, по одному на каждом углу чипа.

Чтобы показать, что загнанный в угол свет был захвачен топологией, а не был там просто в результате того, что они вводили лазеры, ученые протестировали микросхему со сдвинутыми нижними двумя рядами резонаторов. Это изменило их взаимодействие с указанными выше резонаторами и, по крайней мере, теоретически, изменило место появления ярких пятен. Исследователи снова вводили свет в углы, и на этот раз — как и предсказывала теория — два нижних ярких пятна появились над рядами смещенных резонаторов, а не в физических углах.

Несмотря на защиту от небольших изменений в расположении резонатора, предлагаемую топологией, в этих микросхемах остается второй, более разрушительный дефект изготовления. Поскольку каждый резонатор не совсем одинаков, все четыре световых точки в углах светятся с немного разными частотами. Это означает, что на данный момент микросхема может быть не лучше одного резонатора, если она используется в качестве источника фотонов — квантовых частиц света, которые многие надеются использовать в качестве носителей квантовой информации в будущих устройствах и сетях.

«Если у вас есть много источников, которые по топологии вынуждают исторгать идентичные фотоны, вы можете помешать им, и это может изменить ситуацию к лучшему», — говорит Сунил Миттал, ведущий автор статьи. «Я надеюсь, что наша работа на самом деле вдохновит теоретиков задуматься о поиске моделей, которые нечувствительны к этому затяжному беспорядку на частотах резонатора».


Sunil Mittal et al. Photonic quadrupole topological phases, Nature Photonics(2019). DOI: 10.1038/s41566-019-0452-0

Показать больше
Подписаться
Уведомление о
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Back to top button