Кольцевые резонаторы углового света

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