Год издания: 2024
Ключевые слова: топологическая фотоника, фотонный топологический изолятор, топологическое поверхностное состояние, фотонный кристалл, анизотропная фотонная структура, жидкий кристалл, перестраиваемая метаповерхность, хиральный микрорезонатор, оптическое таммовское состояние, связанное состояние в континууме, геометрическая фаза Панчаратнама-Берри, микролазер, управляемый оптический фильтр
Аннотация: Топологическая фотоника возникла в результате открытия топологического изолятора для фотонов. Ключевой принцип объемно-краевого соответствия пришел в оптику из физики конденсированного вещества вместе с такими концепциями как фотонные кристаллы, оптические таммовские состояния и связанные состояния в континууме. Универсальный язык Показать полностьютопологии позволил создать впечатляющий ряд миниатюрных фотонных устройств, таких как интерферометры, спектрометры, модуляторы, волноводы, коронографы, перестраиваемые дифракционные решетки, голограммы и линзы толщиной порядка микрометра с диапазоном использования от очков дополненной реальности до создания новых протоколов для обработки квантовой информации. С одной стороны, непосредственные причины бума в топологической фотонике кроются в развитии технологий, таких как прецизионная фотополимерная печать анизотропными оптическими материалами. С другой стороны, освоение субволнового масштаба открывает новые способы генерации и управления светом, основанные на дифракции и интерференции. Этим дифракционные фазовые волновые пластины и метаповерхности отличаются от классических зеркал, линз и призм, где управление светом происходит посредством изменения геометрической формы поверхности и показателя преломления. Топологические состояния наблюдаются в видимом и инфракрасном диапазонах частот, с использованием решетки спиральных волноводов, решетки кольцевых резонаторов, на поляритонных цепях и антенных решетках резонаторов. Проект посвящен поиску топологических состояний в материалах, способных изменять ориентацию оптической оси на волновом и субволновом масштабе. Для этого требуется обобщить закономерности топологической фотоники на векторные поля. В анизотропных материалах зеркальная симметрия нарушается за счет структурной хиральности. В поляризационной оптике становится существенным учет геометрической (топологической) фазы, которая еще до появления концепции топологической фотоники была использована Владимирским, Рытовым, Панчаратнамом, Берри и другими авторами при описании особенностей зонной структуры, поляризации на сфере Пуанкаре и сингулярной фазы вблизи нулевой амплитуды в центре оптического вихря. Уже в случае плоских слоистых структур закручивание оптической оси сопровождается отражением от анизотропных слоев и локализацией света в плоскости. Частичная локализация в ортогональных направлениях возможна при переходе от однородных к структурированным слоям на примере диэлектрической метаповерхности, трехмерно-периодической голубой фазы холестерика, электроконвективно неустойчивой доменной структуры жидкокристаллического слоя. Такие периодические структуры получаются в результате самоупорядочения мягкой материи (мягкого вещества). Новая идея настоящего проекта состоит в применении двойственности топологических свойств вещества и поля: самоупорядочения фотонных структур на основе мягкой материи и топологической устойчивости оптических волн, распространяющихся в таких структурах. При этом структура частично навязывает свою симметрию и топологию распространяющемуся в ней свету. Например, анизотропные структуры порождают поляризованные волны, а в геликоидальных структурах локализуются геликоидальные стоячие волны. Рассеяние и локализация волн в хиральных фотонных структурах требует учета геометрической фазы, которая объясняет высокую чувствительность резонансной длины волны и поляризации. Данная идея приведет к созданию новых управляемых с высокой точностью хиральных фотонных устройств, не имеющих известных аналогов.