Исследователи объявили о фотон-фононном взаимодействии
В исследовании использовалась топологическая фотоника - новое направление в фотонике, в котором используются фундаментальные идеи математической области топологии о сохраняемых величинах
Новое исследование, проведенное командой исследователей City College of New York, открыло новый способ объединения двух разных состояний материи. Впервые топологические фотоны — свет, были объединены с колебаниями решетки, также известными как фононы, для надежного и контролируемого управления их распространением.
В исследовании использовалась топологическая фотоника — новое направление в фотонике, в котором используются фундаментальные идеи математической области топологии о сохраняемых величинах — топологических инвариантах, которые остаются постоянными при изменении частей геометрического объекта при непрерывных деформациях.
Одним из простейших примеров таких инвариантов является количество отверстий, которое, например, делает пончик и кружку эквивалентными с топологической точки зрения.
Топологические свойства наделяют фотоны спиральностью, когда фотоны вращаются во время распространения, что приводит к уникальным и неожиданным характеристикам, таким как устойчивость к дефектам и однонаправленное распространение вдоль границ раздела между топологически различными материалами. Благодаря взаимодействию с колебаниями в кристаллах эти спиральные фотоны можно затем использовать для передачи инфракрасного света вместе с колебаниями.
Эта работа имеет широкий смысл, в частности, она позволяет исследователям развивать рамановскую спектроскопию, которая используется для определения колебательных мод молекул. Исследование также является многообещающим для колебательной спектроскопии, также известной как инфракрасная спектроскопия, которая измеряет взаимодействие инфракрасного излучения с веществом через поглощение, испускание или отражение. Затем это можно использовать для изучения, идентификации и характеристики химических веществ.
«Мы соединили спиральные фотоны с колебаниями решетки в гексагональном нитриде бора, создав новую гибридную материю, называемую фонон-поляритонами», — сказал Александр Ханикаев, ведущий автор и физик, член инженерной школы CCNY в Гроуве. «Это наполовину свет, наполовину вибрации. Поскольку инфракрасный свет и колебания решетки связаны с теплом, мы создали новые каналы для совместного распространения света и тепла. Как правило, колебания решетки очень трудно контролировать, и направлять их вокруг дефектов и острых углов раньше было невозможно».
Новая методология может также реализовать направленную лучистую теплопередачу, форму передачи энергии, во время которой тепло рассеивается посредством электромагнитных волн.
«Мы можем создавать каналы произвольной формы для этой формы гибридных возбуждений света и материи, которые будут направляться в созданном нами двумерном материале», — добавил Шрирам Гуддала, первый автор работы. «Этот метод также позволяет нам переключать направление распространения колебаний по этим каналам, вперед или назад, просто переключая поляризационную направленность падающего лазерного луча. Интересно, что по мере распространения фонон-поляритонов колебания также вращаются вместе с электрическим полем. Это совершенно новый способ направления и вращения колебаний решетки, который также делает их спиральными».
Исследование было опубликовано в журнале Science.