Нове дослідження, проведене командою дослідників City College of New York, відкрило новий спосіб об'єднання двох різних станів матерії. Вперше топологічні фотони - світло, були об'єднані з коливаннями решітки, також відомими як фонони, для надійного і контрольованого управління їх поширенням.
У дослідженні використовувалася топологічна фотоніка - новий напрямок у фотоніку, в якому використовуються фундаментальні ідеї математичної галузі топології про збережені величини - топологічних інваріантів, які залишаються постійними при зміні частин геометричного об'єкта при безперервних деформаціях.
Одним з найпростіших прикладів таких інваріантів є кількість отворів, яке, наприклад, робить пончик і гуртку еквівалентними з топологічної точки зору.
Топологічні властивості наділяють фотони спіральністю, коли фотони обертаються під час поширення, що призводить до унікальних і несподіваних характеристик, таких як стійкість до дефектів і односпрямоване поширення вздовж меж розділу між топологічно різними матеріалами. Завдяки взаємодії з коливаннями в кристалах ці спіральні фотони можна потім використовувати для передачі інфрачервоного світла разом з коливаннями.
Ця робота має широкий сенс, зокрема, вона дозволяє дослідникам розвивати раманівську спектроскопію, яка використовується для визначення коливальних мод молекул. Дослідження також є багатообіцяючим для коливальної спектроскопії, також відомої як інфрачервона спектроскопія, яка вимірює взаємодію інфрачервоного випромінювання з речовиною через поглинання, випускання або відображення. Потім це можна використовувати для вивчення, ідентифікації та характеристики хімічних речовин.
«Ми поєднали спіральні фотони з коливаннями решітки в гексагональному нітриді бору, створивши нову гібридну матерію, звану фонон-поляритонами», - сказав Олександр Ханікаєв, провідний автор і фізик, член інженерної школи CCNY в Гроуві. "Це наполовину світло, наполовину вібрації. Оскільки інфрачервоне світло і коливання решітки пов'язані з теплом, ми створили нові канали для спільного поширення світла і тепла. Як правило, коливання решітки дуже важко контролювати, і направляти їх навколо дефектів і гострих кутів раніше було неможливо ".
Нова методологія може також реалізувати спрямовану променисту теплопередачу, форму передачі енергії, під час якої тепло розсіюється за допомогою електромагнітних хвиль.
«Ми можемо створювати канали довільної форми для цієї форми гібридних збуджень світла і матерії, які будуть направлятися у створеному нами почесному матеріалі», - додав Шрірам Гуддала, перший автор роботи. "Цей метод також дозволяє нам перемикати напрямок поширення коливань цими каналами, вперед або назад, просто перемикаючи поляризаційну спрямованість лазерного променя, що падає. Цікаво, що в міру поширення фонон-поляритонів коливання також обертаються разом з електричним полем. Це абсолютно новий спосіб спрямування і обертання коливань решітки, який також робить їх спіральними ".
Дослідження було опубліковано в журналі Science.