Фотонно-фононный прорыв: физики соединили два состояния вещества

В работе использовались принципы топологической фотоники — новой дисциплины, которая изучает возможности реализации состояний света, защищенных от рассеяния на неоднородных структурах, и перспективных с точки зрения создания устройств, устойчивых к беспорядку. Это необходимо для полной оптической обработки информации.

Исследователи Городского колледжа Нью-Йорка (CCNY) создали комбинацию фотон-фононов в гексагональном нитриде бора (hBN) и продемонстрировали платформу для управления и направления гибридных состояний света и колебаний решетки. Напомним, что фотоны — это безмассовые частицы, способные существовать, только двигаясь со скоростью света, а фононы — кванты колебаний атомов кристаллической решетки или звуковых волн.

Топологические краевые состояния образовавшихся фонон-поляритонов (составных квазичастиц, возникающих при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды) несли ненулевой угловой момент, привязанный к направлению их распространения. По словам участников исследовательской группы, это физическое качество позволяло легко транспортировать их. В результате топологические квазичастицы направляли инфракрасные фононы, связанные со спиральными инфракрасными фотонами, по произвольным путям и резким изгибам.

Когда фотоны вращаются во время своего движения, топологические особенности наделяют их спиральностью, что приводит к уникальным характеристикам: устойчивости к дефектам и однонаправленному распространению вдоль границ раздела между топологически разнородными материалами. Таким образом, спиральные фотоны могут использоваться для переноса инфракрасного света и вибраций.

Как известно, инфракрасный свет и колебания решетки связаны с теплом, и теперь ученые создали новые каналы для совместного распространения света и тепла. Обычно возникают сложности с контролем колебаний решетки, и до недавнего момента их было невозможно направить так, чтобы они обходили дефекты и острые углы.

Этот метод позволил менять направление распространения колебаний по этим каналам вперед или назад, просто используя переключение поляризационной направленности падающего лазерного луча. Интересно, что при распространении фонон-поляритонов колебания решетки также вращаются по спирали вместе с электрическим полем.

Исследование топологической фотоники поддерживает будущие достижения в области рамановской спектроскопии, которая изучает способность молекул к комбинационному (рамановскому) рассеянию света, и инфракрасной спектроскопии, исследующей взаимодействие инфракрасного излучения с веществами. В дальнейшем его можно будет использовать для изучения и идентификации химических веществ. Кроме того, новая методика поможет реализовать направленную радиационную теплопередачу — форму передачи энергии, при которой тепло рассеивается при помощи электромагнитных волн.