Казалось бы, материалов для создания прорывных оптических технологий — лазеров, детекторов, систем визуализации — не так уж много.

Но ученые из Мичиганского университета доказали: вариантов куда больше, чем думали раньше.

Они изучили класс материалов под названием топологические изоляторы — странные материалы, которые умеют проводить энергию и информацию особым, управляемым способом.

Топологический изолятор — материал, который ведет себя как изолятор внутри, но его поверхность (или края) проводит электричество или свет. «Топологический» означает, что это свойство не исчезает при небольших изменениях формы или дефектах — как дырка в бублике, которая останется, даже если его слегка помять.

Это шаг к более гибкой и мощной основе для фотонных технологий будущего, — говорит Синь Се, ведущий автор исследования, опубликованного в издании Physical Review X.

Само название звучит сложно, но суть проста. Обычный изолятор — например, резина или дерево — не проводит электричество. Топологический изолятор ведет себя хитрее: внутри он изолирует, но его поверхность (вне зависимости от формы) проводит ток. Это открывает новые возможности — можно управлять потоком света или электричества и использовать это в практических целях.

Команда сосредоточилась на особом типе топологических изоляторов, где проводимость возможна только по краям и строго в одном направлении. Подобные материалы уже разрабатывают в электронике, но ученые хотели перенести их свойства на свет.

Такие системы перспективны для передачи фотонной информации, — объясняет Хуи Дэн, профессор физики. — Они обеспечивают движение света без рассеивания, даже если на пути есть дефекты.

До сих пор считалось, что создать такие системы можно только одним способом — с помощью внешнего магнитного поля. Все упиралось в запрещенную зону — энергетический барьер, который нужно преодолеть, чтобы материал стал проводящим. Размер этой зоны критически важен: чем она больше, тем стабильнее работает проводящий край.

Раньше исследователи работали только с одним типом запрещенной зоны. Но команда из Мичигана с помощью компьютерного моделирования и анализа симметрии нашла другие варианты. В электронике запрещенную зону задает кристаллическая структура атомов. В оптике же используют фотонные кристаллы — наноструктуры с упорядоченными элементами (ямками, столбиками), которые определяют оптические свойства системы.

Моделирование показало: если соединить определенные фотонные кристаллы с двумерными материалами (вроде графена), можно получить топологические изоляторы с неожиданными свойствами. Их запрещенные зоны отличались от тех, что изучали раньше.

Меня удивило, насколько распространены подходящие структуры, — признается Синь Се. — Даже стандартные фотонные кристаллы, которые давно используют в оптике, могут стать основой для топологических изоляторов с выдающимися характеристиками.

Следующий шаг — создать реальные образцы. Это сложно, но в лаборатории Дэн есть нужный опыт. Если все получится, запрещенная зона в новых материалах может быть в 100 раз больше, чем у существующих аналогов.

Если раньше считалось, что топологические изоляторы для фотоники можно создавать только одним способом, теперь вариантов стало больше. Это значит следующее:

• Более доступные технологии — можно использовать уже известные фотонные кристаллы, а не изобретать новые.
• Устойчивость к помехам — свет в таких системах не рассеивается, что критично для квантовых коммуникаций и точных сенсоров.
• Масштабируемость — если запрещенная зона действительно станет больше, устройства будут стабильнее работать при комнатной температуре.

Потенциальные применения: лазеры с минимальными потерями, защищенные каналы связи, компактные датчики для медицины.

Отметим, что моделирование — это лишь первый этап. Пока неясно, насколько легко перенести расчеты в реальность: даже небольшие дефекты при изготовлении наноструктур могут «сломать» топологические свойства. Кроме того, работа с двумерными материалами (типа графена) до сих пор дорога и сложна для массового производства.

Ранее ученые заявили, что магнитный бутерброд может сделать электронику мощнее и эффективнее.