Un team scientifico internazionale ha sviluppato un nuovo metodo per sondare le strutture topologiche e le loro transizioni di fase topologiche. Il metodo si basa sull'esame dello spettro di riflessione delle onde elettromagnetiche che si riflettono su un oggetto da diversi angoli di impatto. L'accuratezza dei risultati del metodo è stata verificata sperimentalmente negli spettri IR e microonde. I risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

La topologia è lo studio delle proprietà degli oggetti che rimangono invariati durante la deformazione. Da un punto di vista topologico, una ciambella e una tazza sono uguali poiché entrambe hanno un buco al centro. Gli invarianti topologici sono al centro di molte importanti proprietà osservabili della materia. Sono incorporati nella creazione di nuovi, materiali insoliti, che vengono utilizzati, Per esempio, per controllare la propagazione della luce nei sistemi ottici.

Per rilevare strutture topologicamente non banali, gli scienziati di solito scansionano la propagazione del campo vicino di un oggetto. In altre parole, monitorano le emissioni di un oggetto a una distanza molto più piccola di una lunghezza d'onda. La mappa del campo vicino risultante consente loro di trarre conclusioni sulla topologia delle bande fotoniche dell'oggetto. Ad esempio, è possibile determinare se l'oggetto contiene stati di bordo topologici, e in che misura sono protetti dalla dispersione in aree con difetti o non uniformità.

Gli scienziati della ITMO University, insieme ai colleghi della City University di New York, hanno proposto un nuovo metodo di analisi topologica basato sulla spettroscopia del campo lontano di un oggetto. "Abbiamo posto la domanda:le proprietà topologiche di un sistema influenzano il modo in cui disperde la luce a lunghe distanze?" dice Maxim Gorlach, ricercatore presso il Metamaterials Laboratory di ITMO. "Per rispondere, i nostri colleghi, guidato da Alexander Khanikaev, sviluppato e prodotto due strutture bidimensionali utilizzando cilindri di silicio di parametri geometrici leggermente diversi. uno era banale, e l'altro topologico."

Realizzare tali strutture non è facile, dicono gli scienziati. Per quello, hanno bisogno di utilizzare i più recenti metodi di nanofabbricazione. Dopo aver analizzato gli spettri dei campioni risultanti, hanno sviluppato un modello teorico che descrive i risultati dell'analisi. Ha permesso loro di determinare l'invariante topologico della struttura. Questo modello in seguito divenne la base per il metodo della spettroscopia in campo lontano.

"Ad un certo punto, i nostri revisori hanno espresso interesse per la possibilità di confermare che i risultati ottenuti attraverso l'analisi del campo lontano sono in linea con la tecnica standard dell'analisi del campo vicino. Fare quello, abbiamo condotto un esperimento con le microonde. Abbiamo creato una metasuperficie di due parti:una topologicamente banale e una non banale. Il nostro obiettivo era osservare lo stato topologico localizzato al confine di queste due parti. Alla fine, siamo riusciti a produrre una metasuperficie completamente dielettrica che contiene stati topologicamente protetti nella banda delle microonde. Allo stesso tempo, la polarizzazione dello stato del bordo si è rivelata inequivocabilmente connessa alla direzione della sua propagazione. L'esperimento ha confermato l'accuratezza del nostro modello, e l'articolo è stato accettato, "aggiunge Dmitry Zhirihin, dottorato di ricerca studente presso ITMO University Facoltà di Fisica e Ingegneria.

Il vantaggio del nuovo metodo è che consente ai ricercatori di studiare la topologia degli oggetti a distanza. "Non abbiamo più bisogno di esaminare il campo di propagazione proprio sulla superficie della struttura. Ora possiamo rilevare stati topologici insoliti nei materiali da lontano. Inoltre, mentre sviluppavamo il metodo, abbiamo dimostrato che mentre la perdita di energia può verificarsi nelle strutture topologiche, gli stati limite topologici persistono ancora, " osserva Maxim Gorlach. "Ora stiamo progettando di utilizzare il nuovo metodo per studiare gli isolanti topologici tridimensionali e ci aspettiamo alcuni nuovi ed entusiasmanti risultati".

Prima, gli stati topologici sono stati suggeriti solo per l'uso nella trasmissione sicura del segnale. Ma ora, spiegare gli scienziati, la gamma di applicazioni sta diventando molto più ampia. "È noto che i metodi di nanofabbricazione sono limitati in termini di precisione a causa di vari motivi tecnologici - e le nanostrutture fotoniche sono garantite per contenere difetti. Ciò porta alla perdita di efficienza e accuratezza dei dispositivi prodotti con questi metodi. Ad esempio, qualsiasi biosensore realizzato con metodi di nanofabbricazione sarà limitato nell'accuratezza delle sue misurazioni, tutto a causa dei difetti. Utilizzando gli stati topologici nella costruzione di questi rivelatori, possiamo aumentare la loro sensibilità e precisione, nonostante la presenza di difetti strutturali, " dice il capo progetto Alexander Khanikaev.