Группа ученых из МФТИ, Института спектроскопии РАН, МГУ и Сколтеха опубликовала результаты работы в области фотоники. В статье, вышедшей в журнале Advanced Photonics, сообщается об экспериментальном наблюдении эффекта, который ранее существовал только в теории.
Ученым удалось зафиксировать так называемые топологические вихревые солитоны. Речь идет об устойчивых световых структурах, которые при распространении через специальные материалы сохраняют свою форму и энергию. Основная сложность в данной области заключается в том, что подобные вихревые образования обычно нестабильны — они склонны к распаду или требуют значительной мощности для поддержания.
В этом эксперименте в качестве среды использовались топологические фотонные изоляторы. Это материалы, в которых световые сигналы движутся по траекториям, устойчивым к помехам, дефектам и шумам. Основную роль сыграла геометрия структуры, а именно наличие дисклинации — специфического дефекта решетки, который создается путем удаления сектора и последующего соединения краев. В центре такого искажения и формируются стабильные вихри, причем для их возникновения не требуется превышения пороговой мощности, что отличает их от многих других оптических явлений.
Обычно топологические изоляторы представляют собой периодические системы. Однако теоретические модели допускали, что при нарушении этой периодичности свойства среды могут меняться, в частности, могут появляться состояния с ненулевым угловым моментом. В ходе работы ученые создали массив волноводов с заданной дисклинацией и с помощью пространственного модулятора света сформировали излучение с необходимым распределением фаз. Полученные структуры показали устойчивость в широком диапазоне мощностей, достигающих нескольких мегаватт, что может быть значимо для практического применения в управлении оптическими сигналами.
Поскольку такие вихревые солитоны несут угловой момент, то есть свет не просто движется вперед, но еще и вращается, это свойство открывает множество практических применений. В оптической связи вихревой свет позволяет кодировать больше информации и передавать данные быстрее, в нанотехнологиях с его помощью можно управлять микроскопическими частицами как световыми пинцетами, а в сенсорике и энергетике такие сигналы остаются устойчивыми даже в сложных условиях. Ученые также показали, что эти структуры сохраняют стабильность при очень широком диапазоне мощностей — вплоть до нескольких мегаватт, что дает большие возможности для гибкого управления светом.
Открытие доказывает, что геометрией материала можно программировать поведение света, и это не только фундаментальное достижение, но и реальная основа для будущих технологий, например топологических лазеров, устойчивых оптических каналов и сверхчувствительных датчиков, способных работать в самых жестких условиях. Проще говоря, ученые нашли способ сделать свет не просто переносчиком энергии, но еще и надежным носителем сложной информации, устойчивым к помехам.
Читайте также: «Россия планирует высадку на Луну и создание лунной АЭС в рамках новой космической политики».