Forskere udvikler topologisk fejldetekteringsmetode

Et internationalt videnskabeligt team har udviklet en ny metode til sondering af topologiske strukturer og deres topologiske faseovergange. Metoden er baseret på at undersøge refleksionsspektret for elektromagnetiske bølger, der reflekterer et objekt fra forskellige slagvinkler. Nøjagtigheden af ​​metodens resultater er blevet verificeret eksperimentelt i både IR- og mikrobølgespektre. Resultaterne blev offentliggjort i Naturkommunikation .

Topologi er studiet af objekternes egenskaber, der forbliver uændrede under deformation. Set fra et topologisk synspunkt en doughnut og et krus er det samme, da de begge har et hul i midten. Topologiske invarianter er kernen i mange vigtige observerbare egenskaber ved stof. De er indarbejdet i skabelsen af ​​nye, usædvanlige materialer, som bruges, for eksempel, at kontrollere lysudbredelse i optiske systemer.

For at opdage topologisk ikke-trivielle strukturer, forskere scanner normalt udbredelsen af ​​et objekts nærmark. Med andre ord, de overvåger et objekts emissioner på en afstand, der er meget mindre end en bølgelængde. Det resulterende nærfeltkort lader dem drage konklusioner om topologien af ​​objektets fotoniske bånd. For eksempel, det er muligt at afgøre, om objektet indeholder topologiske kanttilstande, og i hvilken grad de er beskyttet mod spredning i områder med defekter eller uensartethed.

Forskere fra ITMO University har sammen med deres kolleger fra City University of New York foreslået en ny metode til topologisk analyse baseret på spektroskopi af et objekts fjernfelt. "Vi stillede spørgsmålet:Påvirker systemets topologiske egenskaber, hvordan det spreder lys på lange afstande?" siger Maxim Gorlach, stipendiat ved ITMO's Metamaterials Laboratory. "For at svare på det, vores kolleger, ledet af Alexander Khanikaev, udviklet og fremstillet to todimensionale strukturer ved hjælp af siliciumcylindre med lidt forskellige geometriske parametre. Den ene var triviel, og den anden topologiske. "

Det er ikke let at lave sådanne strukturer, siger forskerne. For det, de skal bruge de nyeste nanofabrikationsmetoder. Efter at have analyseret de resulterende prøves spektre, de udviklede en teoretisk model, der skildrer analysens resultater. Det gav dem mulighed for at bestemme strukturens topologiske invariant. Denne model blev senere grundlaget for fjernfeltspektroskopimetoden.

"På et tidspunkt, vores korrekturlæsere udtrykte interesse for, om vi kan bekræfte, at de resultater, vi fik gennem analyse af fjernområder, er i overensstemmelse med standardteknikken for nærfeltanalyse. At gøre det, vi gennemførte et mikrobølgeeksperiment. Vi skabte en metaoverflade af to dele:en topologisk trivial og en ikke-triviel. Vores mål var at observere den topologiske tilstand lokaliseret på grænsen til disse to dele. Til sidst, det lykkedes os at producere en all-dielektrisk metaoverflade, der indeholder topologisk beskyttede tilstande i mikrobølgebåndet. På samme tid, polarisationen af ​​kanttilstanden viste sig utvetydigt at være forbundet med dens udbredelsesretning. Eksperimentet bekræftede nøjagtigheden af ​​vores model, og artiklen blev accepteret, "tilføjer Dmitry Zhirihin, Ph.d. studerende ved ITMO University Faculty of Physics and Engineering.

Den nye metodes fordel er, at den lader forskere studere objekternes topologi på afstand. "Vi behøver ikke længere at undersøge formeringsfeltet lige på strukturens overflade. Vi kan nu opdage usædvanlige topologiske tilstande i materialer på afstand. Derudover kan da vi udviklede metoden, vi beviste, at mens energitab kan forekomme i topologiske strukturer, topologiske kanttilstande stadig vedvarer, "bemærker Maxim Gorlach." Vi planlægger nu at bruge den nye metode til at studere tredimensionelle topologiske isolatorer, og vi forventer nogle nye og spændende resultater. "

Tidligere, topologiske tilstande blev kun foreslået til brug ved sikker signaloverførsel. Men nu, forklar forskerne, anvendelsesområdet bliver meget bredere. "Det vides, at nanofabrikationsmetoder er begrænset i præcision på grund af forskellige teknologiske årsager - og fotoniske nanostrukturer vil med garanti indeholde defekter. Dette fører til tab af effektivitet og nøjagtighed af de enheder, der produceres med disse metoder. F.eks. enhver biosensor fremstillet ved hjælp af nanofabrikationsmetoder vil være begrænset i nøjagtigheden af ​​dets målinger, alt på grund af manglerne. Ved hjælp af topologiske tilstande i konstruktionen af ​​disse detektorer, vi kan øge deres følsomhed og præcision - selv på trods af tilstedeværelsen af ​​strukturelle defekter, "siger projektleder Alexander Khanikaev.