Проектирование потока света

Новая структура, показанная на иллюстрации, была разработана для одной цели:изменения формы света при его транспортировке. В недавней статье профессор Мерседе Хаджавихан и ее команда показали, как это можно сделать с помощью новой теоретической модели, которая может иметь серьезные последствия для многих аспектов нашей жизни.

Свет может генерироваться лазерами для обработки изображений и датчиков, передаваться по оптоволоконным кабелям для расширенной связи и встроен в микросхемы для увеличения вычислительных возможностей до уровня, о котором предыдущие поколения не могли и мечтать. Хотя каждое из этих достижений могло закончиться появлением нового устройства, созданного инженером-механиком, космонавтом, биомедицинским инженером или инженером-компьютерщиком, начало им положила фотоника.

Частицы света имеют тенденцию двигаться как волны, и фотоника — это наука об использовании этих волн. От передовых экспериментов по квантовой связи с запутанными фотонами до повседневных технологий, таких как экраны смартфонов, LiDAR и оптоволоконный интернет, фотоника изменила нашу жизнь больше, чем думает большинство людей. И хотя эта область существует уже более века, исследователи все еще осваивают новые горизонты.

Одна из этих границ называется топологической фотоникой. Он сочетает в себе традиционную фотонику с топологической физикой — областью, впервые созданной лауреатом Нобелевской премии и бывшим профессором USC Дунканом Холдейном. Топологическая физика — математическое исследование форм и их расположения в пространстве — использовалась для объяснения многих интересных свойств электроники и привела к разработке нескольких новых материалов и устройств. Теперь, объединив топологическую физику и фотонику, исследователи могут создавать еще более творческие и невиданные ранее световые структуры.

Итак, что же такого особенного в этой новой структуре и как они ее построили? Команда сначала использует топологическую физику, чтобы придумать дизайн, который они хотят исследовать. Затем они запускают симуляции, чтобы понять, как элементы конструкции должны взаимодействовать друг с другом. Затем они проектируют отдельные ячейки — маленькие строительные блоки, составляющие всю структуру. После того, как дизайн ячейки завершен, они должны решить, как они должны быть расположены вместе, чтобы сформировать структуру. Наконец, дизайн переносится в чистую комнату нанопроизводства, где создается физический продукт размером менее 0,25 квадратных миллиметра. То, что у нас осталось, — это совершенно уникальная структура, которая формирует свет в новую форму, когда он проходит через нее. Эта новая форма, в свою очередь, обладает новыми качествами, такими как лучшая чистота генерации и более высокая эффективность.

Как бы это ни впечатляло, Хаджавихан и ее команда решили пойти еще дальше. И именно здесь действительно вступает в игру комбинация физики и фотоники. Топологические материалы могут демонстрировать удивительные новые транспортные свойства, но их нельзя легко переключать между состояниями «включено» и «выключено». Думайте об этих легких конструкциях как о современном гоночном автомобиле. Они могут двигаться быстрее, поворачивать сильнее и делать больше, чем их конкуренты. Но если вы не можете заглушить машину после того, как завели двигатель, это не очень практичное устройство.

Это именно то, что смогла сделать команда USC — управлять этим новым светом. Они представили технику фотонных систем, называемую «оптической накачкой», чтобы придать топологическим свойствам структуры возможность включаться и выключаться. Возможность контролировать не только форму света, но и то, когда и как он проходит через систему, имеет первостепенное значение.

Для исследователей работа над этой новой структурой — только начало. «Наши результаты открывают совершенно новые возможности для изучения топологических систем, и мы планируем разработать новые конструкции, которые могут изменить облик целого ряда отраслей, таких как голографические экраны и мощные лазеры», — сказал Хаджавихан.