Текст уведомления здесь

Физики из ИТМО научились «видеть издалека» топологические фазовые переходы

В этом им помогла спектроскопия дальнего поля.
Добавить в закладки
Комментарии

Международный коллектив ученых с участием исследователей из Университета ИТМО предложил принципиально новый метод изучения топологических структур на основе изучения спектра отражения электромагнитных волн от объекта при различных углах падения. Достоверность результатов, полученных новым способом, проверена экспериментально как в инфракрасной, так и в микроволновой области спектра. Метод открывает новые перспективы в изучении состояний материи, которые могут найти применение в продвинутой электронике. Соответствующая статья опубликована в Nature Communications.

В последние годы огромную популярность в науке набирает тема топологических фазовых переходов — в 2016 году за их открытие даже дали Нобелевскую премию. Обычные фазовые переходы нам хорошо известны: вода из жидкого состояния при низкой температуре может превратиться в лед или испариться при высокой температуре в виде газа. Топологические переходы отличаются еще и тем, что в них происходит деформация объекта: непрерывная — например, мы можем раздавить шарик теста и превратить в блин, или же с разрывами — чтобы сделать из того же шарика пончик, нам нужно его продырявить. На уровне фундаментальной физики аналогом пончика является образование вихря («водоворота») в двумерной пленке, при этом если температура будет низкой, то такие вихри образуют пары, а если высокой — разделяются и существуют поодиночке.

Топологические фазовые переходы позволяют радикально менять свойства ряда материалов, из которых можно делать электронику. Типичный пример их необычных возможностей — топологические изоляторы — материал, который является диэлектриком и лишь на своей поверхности — проводником. Но чтобы использовать этот потенциал на практике, необходимо лучше изучить природу самих топологических фазовых переходов в том или ином конкретном материале.

Сегодня для обнаружения топологически нетривиальных структур ученые, как правило, изучают ближнее поле объекта. Иными словами, они фиксируют фотоны, отражающиеся от него на расстоянии, заметно меньшем, чем длина световой волны. Авторы новой работы поставили перед собой иной вопрос: проявляются ли топологические свойства системы в том, как она рассеивает свет на больших расстояниях, заметно превышающих длину световой волны?

Чтобы выяснить, так ли это, в Университете ИТМО создали две наноструктуры, представлявшие собой периодические массивы кремниевых наностолбиков на поверхности оксида алюминия. Одна из структур была «обычной», в то время как другая — топологически нетривиальной.

Задачей физиков было установить, что происходит на стыке между этими двумя плоскими структурами. Дмитрий Жирихин, аспирант физико-технического факультета ИТМО, сообщил: «Нашей целью было наблюдение топологического состояния, локализованного на границе между ними (структурами — прим. ред.). В итоге нам удалось получить полностью диэлектрическую метаповерхность, в которой есть топологически защищенные состояния в микроволновом диапазоне. При этом поляризация краевого состояния оказалась однозначно связанной с направлением его распространения. Эксперимент подтвердил, что наша модель верна».

Преимущество нового метода изучения топологических фазовых переходов (в «дальнем поле») в том, что он позволяет исследовать топологию объекта на расстоянии. Больше не нужно снимать распределение поля прямо на поверхности структуры. Можно издалека понять, есть ли необычные топологические состояния в материале. В настоящий момент авторы работы планируют применить новый метод для изучения трехмерных (объемных) топологических изоляторов и надеются при этом получить новые интересные результаты.

До недавних пор топологические состояния предлагалось использовать исключительно для защищенной передачи сигналов. Но в последнее время стало ясно, что возможен и ряд иных применений. Например, используя топологические состояния в конструкции биосенсоров, можно будет значительно поднять их чувствительность и точность.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы