“Фотоны – непокорная группа. Как только кому-то удается согнать их к одной конкретной точке в пространстве и времени, они расходятся во всех направлениях”, – объясняет профессор Александр Самейт, группа которого проводила эксперименты.
Действительно, многовековые исследования были посвящены формированию потока света разными способами: линзы и изогнутые зеркала могут плотно фокусировать лучи солнца. Мощные лазеры генерируют когерентные пучки и короткие импульсы интенсивного света. А волоконно-оптические кабели доставляют гигантские объемы оптически закодированных данных по всей мировой сети. Однако световые волны – это удивительно деликатные сущности: небольшая трещина в линзе, пыль, дрейфующая сквозь лазерный луч, или перелом волокна могут нарушить сложные механизмы, которые преобразуют свет в, пожалуй, самый универсальный инструмент, когда-либо использованный человечеством.
Электронные топологические изоляторы – твердые вещества, которые не проводят электроэнергию внутри своей основной массы, но в то же время идеально идущие вдоль их поверхности были впервые экспериментально реализованы в 2007 году Лоренсом Моленкампом и его командой из университета Вюрцбурга. Их фотонные коллеги долгое время интересовали профессора Самейта.
“Со времени нашей первой реализации топологического изолятора для света мы пытались выявить, как эти своеобразные системы могут быть использованы”, – вспоминает физик.
Хотя фотонные топологические изоляторы могут направлять свет вдоль определенных путей, а математическая база, которая лежит в основе их конструкции, наделяет их беспрецедентной степенью устойчивости к несовершенствам или внешним возмущениям, эти искомые свойства также представляют грозную преграду.
В тесном сотрудничестве с теоретиками Ростокского университета, ICFO в Барселоне, Лиссабонского университета и Московского научно-технического института команда молодых исследователей решили, стоит ли применять топологическую защиту или разрешить вести себя как в обычной среде.
Успешное международное сотрудничество существенно усовершенствовало фундаментальную науку в области квантовой оптики, в частности исследования фотонных топологических изоляторов.
Тем не менее новое открытие физиков имеет большие перспективы для многочисленных инновационных применений, таких как топологически защищенная оптическая обработка сигналов и совершенствование фотонные нейронных сетей. Учитывая стремительные темпы прогресса, эти идеи, которые сегодня могут показаться научной фантастикой, в скором времени могут стать реальностью.
