Аномальный топологический изолятор защитил микроволновый сигнал от больших помех

Швейцарские физики объединили свойства топологических изоляторов Черна со свойствами изоляторов Флоке для изготовления среды с аномально высокими изоляционными свойствами поверхностных мод. Такая среда оказалась способна однонаправленно распространять микроволновое излучение, чей сигнал был устойчивым к распределенным помехам очень большой амплитуды и к сложной форме границы. Работа опубликована в Nature.

Топологические изоляторы — это материалы, структура которых заставляет фотоны, электроны и другие типы квазичастиц двигаться только вдоль границы материала, хотя внутри никакой проводимости нет. Их главное отличие от прочих поверхностных проводников в топологической защите поверхностных состояний от дефектов и температуры с помощью присутствующих симметрий. В перспективе это поможет снизить требования к чистоте и числу дефектов для материалов фотоники, фононики и электроники. Подробнее об этом вы можете прочитать в материале «Топологически защищен».

Однако в последние несколько лет физики начали изучать топологически защищенные состояния, в которых нарушается симметрия относительно инверсии времени. Такие материалы получили название изоляторов Черна. Их особенностью стало то, что распространение волн в таких условиях можно сделать однонаправленным, избежав, таким образом, потерь на обратное рассеяние. Проблема, однако, в том, что топологическая защищенность в этом случае не безгранична: если в системе присутствует распределенный порядок с частотой флуктуаций, большей, нежели ширина запрещенной зоны, эффект пропадает.

Команда физиков из Федеральной политехнической школы Лозанны под руководством Ромена Флери (Romain Fleury) предложила и реализовала иной принцип топологической защищенности в среде, элементы которой по-разному проводили микроволновое излучение в зависимости от его направления. Они объединили свойства топологических изоляторов Флоке и со свойствами изоляторов Черна, в режим, который получил название аномального изолятора Флоке. Им удалось показать, что такой изолятор обладает беспрецедентной устойчивостью к помехам.

Изолятор, созданный учеными, представлял собой сеть, напоминающую пчелиные соты, в узлах которой располагались невзаимные микроволновых циркуляторы. Невзаимность достигалась с помощью двух ферритовых пластин сверху и снизу циркулятора. Это приводило к тому, что моды, двигающиеся внутри него в различных направлениях, распространялись по-разному. Каждый циркулятор имел три порта, которые связывали его с соседями с помощью небольших волноводных полосок переменной длины, которые отвечали за фиксированный набег фазы.

(a) Общий вид сети невзаимных элементов, соединенных волноводами. (b) Элементарная ячейка сети.

Для описания распространения излучения по такой сети физики использовали формализм, развитый при описании топологических изоляторов Флоке, в котором фаза волны играет роль квазиэнергии. Как оказалось, при таком подходе отдельные рассеиватели параметризуются с помощью только одного параметра — модуля коэффициента отражения. Изучая дисперсионные соотношения для различных значений этого параметра, они определили, что малые отражения соответствуют режиму аномального изолятора Флоке, а большие — режиму черновского изолятора. Анализ фазовых диаграмм позволил авторам выдвинуть гипотезу о большей устойчивости мод в изоляторе Флоке по сравнению с изолятором Черна.

Физики проверили эту гипотезу с помощью симуляций и эксперимента. В частности, они рассматривали распространение микроволн по такой сети в обоих режимах в присутствии резкого фазового скачка в одной из половин образца, который они вызывали удлинением волноводных полосок. В результате оказалось, что аномальный изолятор оказался устойчивым к таким искажениям, в то время как в случае изолятора Черна излучение не смогло преодолеть фазовый барьер. Исследователи повторили эксперимент для случайного разброса фазы, а также случайного разброса параметров рассеивателей. В обоих случаях потери в черновском режиме составляли 75-80 процентов, в то время как потери в аномальном режиме не превышали 10 процентов.

Для окончательной проверки устойчивости и однонаправленности сигнала в сетях сложной формы, физики изготовили образец, по форме напоминающий карту Швейцарии. Они определили в сети шесть портов, которые соответствуют шести крупным швейцарским городам, и убедились, что излучение распространяется строго от одного порта к другому по часовой стрелке даже несмотря на нетривиальную границу изолятора.

Схематический вид (a) и фотография (b) образца, изготовленного в форме Швейцарии. (c) Распространение излучения между портами происходит строго по часовой стрелке.

Ученые отмечают, что изготовленные ими образцы легко совместимы с технологиями печати плат и их монтажа, используемыми сегодня для работы с микроволновым излучением. Это может увеличить устойчивость сигналов в уже существующих системах. В качестве примера они приводят топологический контроль диаграмм направленности в многолучевых антеннах 5G.

С каждым годом появляется все больше примеров использования топологических изоляторов с необратимым движением волн. Не так давно мы писали о том, что такую среду изготовили для звука.

Марат Хамадеев

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 15.10.2021 в 22:46

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии