Ученые впервые наблюдали устойчивые вихревые солитоны в топологических фотонных материалах. Это открытие прокладывает путь к новым системам связи, сенсорики и нанотехнологий.
Аспирант кафедры нанооптики и спектроскопии ЛФИ МФТИ Александр Киреев совместно с учеными из Института спектроскопии РАН, МГУ им. М. В. Ломоносова и Сколтеха выполнил пионерские исследования в области наблюдения топологических вихревых солитонов на дисклинациях. Работа опубликована в престижном международном журнале Advanced Photonics. Исследование было поддержано Российским научным фондом (грант № 24-12-00167).
Александр и его коллеги впервые наблюдали топологические вихревые солитоны — устойчивые световые вихри, способные сохранять форму и энергию при распространении через особые фотонные материалы. Обычно такие вихревые структуры нестабильны: они распадаются или требуют высокой мощности для поддержания. Но исследователи использовали топологические фотонные изоляторы — материалы, где свет движется по «защищенным» путям, нечувствительным к дефектам и шуму. Ключ к открытию — особая геометрическая структура, называемая дисклинацией. Это дефект решетки, возникающий, если из нее «вырезать» сектор и соединить края. В центре такого искажения свет ведет себя необычно — именно там и рождаются устойчивые вихревые солитоны, когда свет закручивается вокруг оси, образуя стабильный вихрь, который не разрушается при распространении и не требует пороговой мощности. Это делает его уникальным среди известных оптических структур.
«Обычно топологические изоляторы являются периодическими структурами, но теоретически было предсказано, что при нарушении периодичности топологические состояния не только существуют, но и могут обладать дополнительными свойствами, например, ненулевым угловым моментом. Мы смогли экспериментально получить предсказанные топологические вихревые солитоны в массиве волноводов с дисклинацией, создав при помощи пространственного модулятора света необходимую конфигурацию излучения с заданным распределением фаз, а также показать их устойчивость в широком диапазоне мощностей, вплоть до нескольких мегаватт, что открывает новые возможности по управлению светом», — рассказал Александр Киреев.
Топологические вихревые солитоны несут угловой момент света, что создает перспективы для новых технологий. Например, для оптической связи это кодирование информации и повышение пропускной способности каналов, для наноманипуляций — управление микрочастицами с помощью «световых пинцетов», а для энергетики и сенсорики — устойчивое распространение сигналов в сложных средах.
Кроме того, топологические вихревые солитоны на дисклинациях обладают симметриями, недостижимыми в обычных периодических решетках. Это открывает путь к созданию новых фотонных устройств, где свет можно «программировать» через геометрию материала. Работа ученых также показывает, как топология — раздел математики, изучающий свойства, сохраняющиеся при деформациях, — становится инструментом для управления светом. Это открытие способно привести к появлению топологических лазеров, устойчивых оптических каналов связи и новых сенсорных систем, работающих в экстремальных условиях. Устойчивые вихревые солитоны — это огромный шаг к технологиям, где свет будет не только переносчиком энергии, но и носителем сложной информации.
Исследование поддержано Российским научным фондом (грант № 24-12-00167).
