Ett internationellt forskarlag har utvecklat en ny metod för att undersöka topologiska strukturer och deras topologiska fasövergångar. Metoden bygger på att undersöka reflektionsspektrumet för elektromagnetiska vågor som reflekteras från ett föremål från olika islagsvinklar. Noggrannheten i metodens resultat har verifierats experimentellt i både IR- och mikrovågsspektra. Resultaten publicerades i Naturkommunikation .

Topologi är studiet av egenskaperna hos föremål som förblir oförändrade under deformation. Ur topologisk synvinkel, en munk och en mugg är samma eftersom de båda har ett hål i mitten. Topologiska invarianter ligger i kärnan av många viktiga observerbara egenskaper hos materia. De ingår i skapandet av nya, ovanliga material, som används, till exempel, för att kontrollera ljusutbredning i optiska system.

För att upptäcka topologiskt icke-triviala strukturer, forskare skannar vanligtvis utbredningen av ett objekts närfält. Med andra ord, de övervakar ett objekts emissioner på ett avstånd som är mycket mindre än en våglängd. Den resulterande närfältskartan låter dem dra slutsatser om topologin för objektets fotoniska band. Till exempel, det är möjligt att avgöra om objektet innehåller några topologiska kanttillstånd, och i vilken grad de är skyddade från spridning i områden med defekter eller ojämnheter.

Forskare från ITMO University har tillsammans med sina kollegor från City University of New York föreslagit en ny metod för topologisk analys baserad på spektroskopi av ett objekts avlägsna fält. "Vi ställde frågan:Påverkar de topologiska egenskaperna hos ett system hur det sprider ljus på långa avstånd?" säger Maxim Gorlach, forskarassistent vid ITMO:s Metamaterials Laboratory. "För att svara på det, våra kollegor, ledd av Alexander Khanikaev, utvecklat och tillverkat två tvådimensionella strukturer med kiselcylindrar med lite olika geometriska parametrar. En var trivial, och den andra topologiska."

Att göra sådana strukturer är inte lätt, säger forskarna. För det, de måste använda de senaste nanotillverkningsmetoderna. Efter att ha analyserat de resulterande provernas spektra, de utvecklade en teoretisk modell som visar resultaten av analysen. Det tillät dem att bestämma strukturens topologiska invariant. Denna modell blev senare grunden för fjärrfältsspektroskopimetoden.

"Vid något tillfälle, våra granskare uttryckte intresse för om vi kan bekräfta att resultaten vi fick genom fjärrfältsanalyser är i linje med standardtekniken för närfältsanalys. Att göra det, vi genomförde ett mikrovågsexperiment. Vi skapade en metayta av två delar:en topologiskt trivial och en icke-trivial. Vårt mål var att observera det topologiska tillståndet lokaliserat på gränsen mellan dessa två delar. I slutet, vi lyckades producera en helt dielektrisk metayta som innehåller topologiskt skyddade tillstånd i mikrovågsbandet. På samma gång, polariseringen av kanttillståndet visade sig vara otvetydigt kopplat till riktningen för dess utbredning. Experimentet bekräftade noggrannheten hos vår modell, och artikeln accepterades, " tillägger Dmitry Zhirihin, Ph.D. student vid ITMO University Fakulteten för fysik och teknik.

Fördelen med den nya metoden är att den låter forskare studera objekts topologi på avstånd. "Vi behöver inte längre undersöka utbredningsfältet direkt på strukturens yta. Vi kan nu upptäcka ovanliga topologiska tillstånd i material på långt håll. Dessutom, när vi utvecklade metoden, vi bevisade att medan energiförlust kan inträffa i topologiska strukturer, topologiska kanttillstånd kvarstår fortfarande, ", konstaterar Maxim Gorlach. "Vi planerar nu att använda den nya metoden för att studera tredimensionella topologiska isolatorer och vi förväntar oss några nya och spännande resultat."

Tidigare, topologiska tillstånd föreslogs endast för användning vid säker signalöverföring. Men nu, förklara forskarna, utbudet av applikationer blir mycket bredare. "Det är känt att nanotillverkningsmetoder är begränsade i precision på grund av olika tekniska skäl – och fotoniska nanostrukturer kommer garanterat att innehålla defekter. Detta leder till förlust av effektivitet och noggrannhet hos de enheter som produceras med dessa metoder. T.ex. alla biosensorer gjorda med nanotillverkningsmetoder kommer att vara begränsade i noggrannheten i sina mätningar, allt på grund av defekterna. Använda topologiska tillstånd i konstruktionen av dessa detektorer, vi kan öka deras känslighet och precision – även trots förekomsten av strukturella defekter, " säger projektledaren Alexander Khanikaev.