Uma equipe científica internacional desenvolveu um novo método de sondagem de estruturas topológicas e suas transições de fase topológica. O método é baseado no exame do espectro de reflexão de ondas eletromagnéticas refletindo em um objeto de diferentes ângulos de impacto. A precisão dos resultados do método foi verificada experimentalmente em espectros de infravermelho e microondas. Os resultados foram publicados em Nature Communications .

Topologia é o estudo das propriedades de objetos que permanecem inalterados durante a deformação. Do ponto de vista topológico, um donut e uma caneca são iguais, pois ambos têm um orifício no centro. Os invariantes topológicos estão no cerne de muitas propriedades observáveis ​​importantes da matéria. Eles são incorporados na criação de novos, materiais incomuns, que são usados, por exemplo, para controlar a propagação da luz em sistemas ópticos.

Para detectar estruturas topologicamente não triviais, os cientistas geralmente examinam a propagação do campo próximo de um objeto. Em outras palavras, eles monitoram as emissões de um objeto a uma distância muito menor do que um comprimento de onda. O mapa de campo próximo resultante permite que eles tirem conclusões sobre a topologia das bandas fotônicas do objeto. Por exemplo, é possível determinar se o objeto contém quaisquer estados de borda topológicos, e em que grau eles estão protegidos de espalhamento em áreas com defeitos ou não uniformidade.

Cientistas da ITMO University, juntamente com seus colegas da City University of New York, propuseram um novo método de análise topológica baseado na espectroscopia do campo distante de um objeto. "Colocamos a questão:as propriedades topológicas de um sistema afetam como ele dispersa a luz em longas distâncias?" diz Maxim Gorlach, bolsista de pesquisa no Laboratório de Metamateriais da ITMO. "Para responder, nossos colegas, liderado por Alexander Khanikaev, desenvolveu e fabricou estruturas bidimensionais usando cilindros de silício de parâmetros geométricos ligeiramente diferentes. Um era trivial, e a outra topológica. "

Fazer tais estruturas não é fácil, dizem os cientistas. Por isso, eles precisam usar os métodos de nanofabricação mais recentes. Tendo analisado os espectros das amostras resultantes, eles desenvolveram um modelo teórico que descreve os resultados da análise. Isso permitiu que eles determinassem o invariante topológico da estrutura. Este modelo mais tarde se tornou a base para o método de espectroscopia de campo distante.

"Em algum ponto, nossos revisores expressaram interesse em saber se podemos confirmar que os resultados que obtivemos por meio da análise de campo distante estão de acordo com a técnica padrão de análise de campo próximo. Fazer isso, conduzimos um experimento de microondas. Criamos uma metassuperfície de duas partes:uma topologicamente trivial e outra não trivial. Nosso objetivo era observar o estado topológico localizado na fronteira dessas duas partes. No fim, Conseguimos produzir uma metassuperfície totalmente dielétrica que contém estados protegidos topologicamente na banda de microondas. Ao mesmo tempo, a polarização do estado de borda acabou sendo inequivocamente conectada à direção de sua propagação. O experimento confirmou a precisão do nosso modelo, e o artigo foi aceito, "acrescenta Dmitry Zhirihin, Ph.D. estudante da Faculdade de Física e Engenharia da Universidade ITMO.

A vantagem do novo método é permitir que os pesquisadores estudem a topologia de objetos à distância. "Não precisamos mais examinar o campo de propagação diretamente na superfície da estrutura. Agora podemos detectar estados topológicos incomuns em materiais à distância. Além disso, conforme desenvolvemos o método, provamos que embora a perda de energia possa ocorrer em estruturas topológicas, estados de borda topológicos ainda persistem, "observa Maxim Gorlach." Agora estamos planejando usar o novo método para estudar isoladores topológicos tridimensionais e esperamos alguns resultados novos e emocionantes. "

Mais cedo, estados topológicos foram sugeridos apenas para uso em transmissão segura de sinal. Mas agora, explicar os cientistas, a gama de aplicações está se tornando muito mais ampla. “É sabido que os métodos de nanofabricação são limitados em precisão por vários motivos tecnológicos - e as nanoestruturas fotônicas têm garantia de conter defeitos. Isso leva à perda de eficiência e precisão dos dispositivos produzidos com esses métodos. Por exemplo, qualquer biossensor feito usando métodos de nanofabricação será limitado na precisão de suas medições, tudo devido aos defeitos. Usando estados topológicos na construção desses detectores, podemos aumentar sua sensibilidade e precisão - mesmo apesar da presença de defeitos estruturais, "diz o líder do projeto, Alexander Khanikaev.