Революция в транспорте света: новая модель проложила путь к передовым оптическим системам

Новая структура, показанная на иллюстрации, была спроектирована для одной цели: изменить форму света по мере его транспортировки. В недавней статье профессор Мерседе Хаджавикан и её команда показали, как это можно сделать, используя новую теоретическую модель, которая может иметь глубокие последствия для многих аспектов нашей жизни.

Свет может генерироваться лазерами для визуализации и 감지, проходить через волоконно-оптические кабели для передовых коммуникаций и встраиваться в чипы для увеличения вычислительных возможностей до уровня, о котором ранние поколения не могли даже мечтать. Хотя каждое из этих достижений может закончиться новым устройством, построенным механическим, астронавтическим, биомедицинским или компьютерным инженером, они начинались в фотонике.

Частицы света имеют тенденцию двигаться как волны, и фотоника — наука об использовании этих волн. От передовых экспериментов квантовой коммуникации с запутанными фотонами до повседневных технологий вроде экранов смартфонов, лидаров и волоконного интернета — фотоника изменила наши жизни больше, чем большинство людей осознают. И хотя область существует уже более века, исследователи всё еще проникают в новые границы.

Одна из этих границ называется топологическая фотоника. Она объединяет традиционную фотонику с топологической физикой — областью, основанной в части нобелевским лауреатом и бывшим профессором USC Дунканом Халданом. Топологическая физика — математическое изучение форм и их расположения в пространстве — использовалась для объяснения многих интересных свойств в электронике и привела к разработке нескольких новых материалов и устройств. Теперь, объединяя топологическую физику и фотонику, исследователи могут создавать еще более креативные и никогда не видевшиеся световые структуры.

Итак, что такого особенного в этой новой структуре и как они её построили? Команда сначала использует топологическую физику для придумывания дизайна, который хотят исследовать. Затем они запускают симуляции, чтобы понять, как элементы в структуре должны взаимодействовать друг с другом. Далее они проектируют отдельные ячейки — маленькие строительные блоки, составляющие всю структуру. После завершения дизайна ячейки они должны решить, как их расположить вместе для формирования структуры. Наконец, дизайн переносятся в нано-фабрикационную чистую комнату, где физический продукт — меньше 0,25 квадратного миллиметра — строится. Что остается — это совершенно уникальная структура, которая формирует свет в новую форму, когда он проходит через неё. Эта новая форма, в свою очередь, обладает новыми качествами, такими как лучшая чистота лазирования и более высокая эффективность.

Настолько впечатляюще, насколько это есть, Хаджавикан и её команда решили пойти еще дальше. И именно здесь комбинация физики и фотоники входит в игру. Топологические материалы могут демонстрировать удивительные новые транспортные свойства, но их нелегко переключать между состояниями «вкл» и «выкл». Представьте эти световые структуры как гоночный болид последнего поколения. Они могут ехать быстрее, поворачивать резче и делать больше, чем конкуренты. Но если вы не можете заглушить машину после запуска двигателя, это не очень практичный механизм.

Именно это USC команда и смогла сделать — управлять этим новым светом. Они внедрили технику из фотонических систем под названием «оптическое качание», чтобы дать топологическим свойствам структуры возможность включаться и выключаться. Способность управлять не только формой света, но и тем, когда и как он течет через систему, имеет первостепенное значение.

Для исследователей работа над этой новой структурой — только начало. «Наши открытия открывают совершенно новые пути для изучения топологических систем, и мы планируем проектировать больше дизайнов, которые могут изменить лицо целого ряда отраслей, таких как голографические экраны и высокомощные лазеры», — сказала Хаджавикан.