Созданы нелинейные фотонные кристаллы с топологическими свойствами

Исследователи из Пенсильванского университета и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре впервые создали изоляторы Флоке-Черна на основе нелинейных фотонных кристаллов. Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Линейная характеристика фотонных кристаллов AlGaAs. a — изображения кристалла, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. b — угловые измерения линейного отражения. c — резонансные частоты и скорости затухания трёх фотонных зон. Автор: Jin et al. (Nature Nanotechnology, 2025).

Топологические фазы — особые состояния материи, определяемые не локальными свойствами, а глобальными характеристиками. Они позволяют фотонам двигаться устойчиво, несмотря на дефекты материала.

«Мы экспериментально изучаем изоляторы Флоке-Черна в периодически управляемых нелинейных фотонных кристаллах, где топологическая фаза контролируется поляризацией и частотой управляющего поля», — пишут Цзиньчэн Цзинь, Ли Хэ и их коллеги.

Учёные создали нелинейные фотонные кристаллы на основе AlGaAs, которые сильно взаимодействуют со световыми полями, и периодически воздействовали на них светом с разной поляризацией и частотой. Для исследования световых мод использовался нелинейный оптический процесс — генерация суммарной частоты.

«Наши измерения показывают сильную гибридизацию фотонных зон Флоке. Спектр остаётся безщелевым при линейно-поляризованном возбуждении, но становится щелевым при циркулярно-поляризованном возбуждении», — отмечают авторы.

Теоретический анализ подтвердил, что щель Флоке является топологической и характеризуется ненулевым числом Черна. Это следствие нарушения симметрии обращения времени, вызванного циркулярно-поляризованным полем.

Разработанные изоляторы Флоке-Черна могут найти применение в оптических системах связи, защищённых системах обработки сигналов и нелинейных оптоэлектронных устройствах.

Топологическая фотоника — перспективное направление исследований, где свойства материалов обеспечивают устойчивость распространения света к дефектам. Ранее большинство работ в этой области касались линейных оптических систем.