Фотонно-фононный прорыв: физики соединили два состояния вещества

Ученые впервые продемонстрировали способность комбинировать топологические фотоны с колебаниями решетки (фононами), чтобы надежно и контролируемо управлять их распространением. Фактически они открыли новый способ объединения двух состояний материи. Эта работа позволяет исследователям развивать рамановскую спектроскопию, которая используется для определения колебательных мод молекул. Исследование также важно для развития колебательной спектроскопии, измеряющей взаимодействие инфракрасного излучения с вещес

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.

Физики впервые смогли объединить два состояния материи, скомбинировав фотоны с фононами

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.

Топологически различные фотонные кристаллы (оранжевый и синий) со слоем гексагонального нитрида бора сверху. Изображение: Filipp Komissarenko/ Sriram Guddala

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.