Новое исследование, проведенное командой Городского колледжа Нью-Йорка, открыло новый способ объединения двух разных состояний материи. Впервые топологические фотоны - свет - были объединены с колебаниями решетки, также известными как фононы, для надежного и контролируемого управления их распространением.
В исследовании использовалась топологическая фотоника, зарождающееся направление в фотонике, которое использует фундаментальные идеи математической области топологии о сохраняющихся величинах - топологических инвариантах, которые остаются постоянными при изменении частей геометрического объекта при непрерывных деформациях. Одним из простейших примеров таких инвариантов является число дырочек, которое, например, делает пончик и кружку эквивалентными с топологической точки зрения. Топологические свойства наделяют фотоны спиральностью, когда фотоны вращаются по мере их распространения, что приводит к уникальным и неожиданным характеристикам, таким как устойчивость к дефектам и однонаправленное распространение вдоль границ между топологически различными материалами. Благодаря взаимодействию с вибрациями в кристаллах эти спиральные фотоны могут затем использоваться для направления инфракрасного света вместе с вибрациями.
Значение этой работы широкое, в частности, она позволяет исследователям совершенствовать спектроскопию комбинационного рассеяния, которая используется для определения колебательных мод молекул. Исследование также перспективно для колебательной спектроскопии, также известной как инфракрасная спектроскопия, которая измеряет взаимодействие инфракрасного излучения с веществом посредством поглощения, излучения или отражения. Затем это можно использовать для изучения, идентификации и характеристики химических веществ.
«Мы соединили спиральные фотоны с колебаниями решетки в гексагональном нитриде бора, создав новую гибридную материю, называемую фонон-поляритонами», - сказал Александр Ханикаев, ведущий автор и физик инженерной школы CCNY Grove.«Это наполовину свет и наполовину вибрации. Поскольку инфракрасный свет и колебания решетки связаны с теплом, мы создали новые каналы для совместного распространения света и тепла. Как правило, колебания решетки очень трудно контролировать, и направлять их вокруг дефектов и острых углов раньше было невозможно."
Новая методология также может реализовать направленный радиационный теплообмен, форму передачи энергии, во время которой тепло рассеивается посредством электромагнитных волн.
"Мы можем создавать каналы произвольной формы для этой формы гибридных возбуждений света и материи, чтобы они направлялись в созданном нами двумерном материале", - добавил доктор Шрирам Гуддала, научный сотрудник группы профессора Ханикаева и первый автор рукописи. «Этот метод также позволяет переключать направление распространения колебаний по этим каналам вперед или назад, просто переключая поляризацию падающего лазерного луча. Интересно, что при распространении фонон-поляритонов колебания также вращаются вместе с электрическим полем. Это совершенно новый способ направления и вращения решетчатых колебаний, который также делает их спиральными».