Физики создали «секретный туннель» для света, игнорирующий дефекты материалов

Схема флокетовского изолятора Черна в управляемом нелинейном фотонном кристалле. Автор: Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-02003-1

Учёные из Пенсильванского университета разработали систему, которая направляет свет через крошечный кристалл, игнорируя неровности, изгибы и обратные отражения. Это открытие может привести к созданию более стабильных лазеров, скоростных каналов передачи данных и фотонных чипов, не подверженных влиянию дефектов материалов.

Фотоны, в отличие от электронов, могут рассеиваться, поглощаться или менять свои свойства, что усложняет управление светом в оптоволокне или фотонных чипах. Традиционный подход предполагает борьбу с несовершенствами материалов, но команда физика Бо Чжэна предложила изменить «правила лабиринта».

«Что, если вместо борьбы с недостатками мы изменим правила самого лабиринта, перестраивая ландшафт на лету так, чтобы свет был вынужден двигаться только вперёд?» — задаётся вопросом Бо Чжэнь.

В исследовании, опубликованном в Nature Nanotechnology, учёные создали «секретный туннель» для фотонов — хиральные краевые состояния, которые обеспечивают одностороннее движение света вдоль краёв фотонного кристалла даже при наличии дефектов.

Бо Чжэнь (справа) и постдок Ли Хэ разработали систему для управления светом в кристаллах. Автор: University of Pennsylvania

Эксперимент начался в 2018 году, но столкнулся с трудностями из-за пандемии COVID-19, задержек поставок оборудования и логистических проблем. Стабильное устройство удалось создать к 2022 году с помощью коллег из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Ключевым моментом стало использование круговой поляризации света, которая «раскрыла» в кристалле топологически защищённый канал с характеристикой Черна C=1. Это обеспечило однонаправленное движение света, подтверждённое реконструкцией зонной структуры.

«Это был момент Эврики — графики на экране совпали с топологической зонной диаграммой, о которой мы мечтали», — говорит Ли Хэ.

Новый подход открывает возможности для создания оптических изоляторов без громоздких магнитов, лазеров, устойчивых к обратным отражениям, и фотонных чипов для квантовых технологий. Команда уже работает над масштабированием технологии для трёхмерных кристаллов и микроволновых частот, а также исследует возможность защиты квантовых состояний света.

Подробнее: Jicheng Jin et al, Towards Floquet Chern insulators of light, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-02003-1