Une équipe scientifique internationale a développé une nouvelle méthode pour sonder les structures topologiques et leurs transitions de phase topologiques. La méthode est basée sur l'examen du spectre de réflexion des ondes électromagnétiques se reflétant sur un objet sous différents angles d'impact. L'exactitude des résultats de la méthode a été vérifiée expérimentalement dans les spectres IR et micro-ondes. Les résultats ont été publiés dans Communication Nature .

La topologie est l'étude des propriétés des objets qui restent inchangés pendant la déformation. D'un point de vue topologique, un beignet et une tasse sont identiques car ils ont tous deux un trou au centre. Les invariants topologiques sont au cœur de nombreuses propriétés observables importantes de la matière. Ils sont intégrés à la création de nouveaux, matériaux inhabituels, qui sont utilisés, par exemple, pour contrôler la propagation de la lumière dans les systèmes optiques.

Pour détecter des structures topologiquement non triviales, les scientifiques scannent généralement la propagation du champ proche d'un objet. En d'autres termes, ils surveillent les émissions d'un objet à une distance beaucoup plus petite qu'une longueur d'onde. La carte de champ proche qui en résulte leur permet de tirer des conclusions sur la topologie des bandes photoniques de l'objet. Par exemple, il est possible de déterminer si l'objet contient des états de bord topologiques, et dans quelle mesure ils sont protégés contre la diffusion dans les zones présentant des défauts ou une non-uniformité.

Des scientifiques de l'Université ITMO et leurs collègues de la City University de New York ont ​​proposé une nouvelle méthode d'analyse topologique basée sur la spectroscopie du champ lointain d'un objet. « Nous avons posé la question :les propriétés topologiques d'un système affectent-elles la façon dont il disperse la lumière sur de longues distances ? » dit Maxim Gorlach, chercheur au Laboratoire des Métamatériaux de l'ITMO. "Pour y répondre, nos collègues, dirigé par Alexandre Khanikaev, développé et fabriqué deux structures bidimensionnelles en utilisant des cylindres de silicium de paramètres géométriques légèrement différents. L'un était insignifiant, et l'autre topologique."

Faire de telles structures n'est pas facile, disent les scientifiques. Pour ça, ils doivent utiliser les dernières méthodes de nanofabrication. Après avoir analysé les spectres des échantillons résultants, ils ont développé un modèle théorique décrivant les résultats de l'analyse. Cela leur a permis de déterminer l'invariant topologique de la structure. Ce modèle est devenu plus tard la base de la méthode de spectroscopie en champ lointain.

« À un moment donné, nos examinateurs ont exprimé leur intérêt à savoir si nous pouvons confirmer que les résultats obtenus grâce à l'analyse en champ lointain sont conformes à la technique standard de l'analyse en champ proche. Pour faire ça, nous avons mené une expérience micro-ondes. Nous avons créé une métasurface de deux parties :une topologiquement triviale et une non triviale. Notre objectif était d'observer l'état topologique localisé à la frontière de ces deux parties. À la fin, nous avons réussi à produire une métasurface entièrement diélectrique qui contient des états topologiquement protégés dans la bande des micro-ondes. À la fois, la polarisation de l'état de bord s'est avérée être liée sans équivoque à la direction de sa propagation. L'expérience a confirmé la précision de notre modèle, et l'article a été accepté, " ajoute Dmitry Zhirihin, doctorat étudiant à la Faculté de Physique et d'Ingénierie de l'Université ITMO.

L'avantage de la nouvelle méthode est qu'elle permet aux chercheurs d'étudier la topologie des objets à distance. « Nous n'avons plus besoin d'examiner le champ de propagation directement à la surface de la structure. Nous pouvons désormais détecter à distance des états topologiques inhabituels dans les matériaux. De plus, au fur et à mesure que nous développions la méthode, nous avons prouvé que si la perte d'énergie peut se produire dans les structures topologiques, les états de bord topologiques persistent toujours, " note Maxim Gorlach. "Nous prévoyons maintenant d'utiliser la nouvelle méthode pour étudier les isolants topologiques tridimensionnels et nous attendons des résultats nouveaux et passionnants."

Plus tôt, les états topologiques n'ont été suggérés que pour une utilisation dans la transmission de signaux sécurisée. Mais maintenant, expliquent les scientifiques, l'éventail des applications s'élargit de plus en plus. "Il est connu que les méthodes de nanofabrication sont limitées en précision pour diverses raisons technologiques - et les nanostructures photoniques sont garanties pour contenir des défauts. Cela conduit à une perte d'efficacité et de précision des dispositifs produits avec ces méthodes. Par exemple, tout biocapteur fabriqué à l'aide de méthodes de nanofabrication sera limité dans la précision de ses mesures, tout cela à cause des défauts. En utilisant des états topologiques dans la construction de ces détecteurs, nous pouvons augmenter leur sensibilité et leur précision - même malgré la présence de défauts structurels, " déclare le chef de projet Alexander Khanikaev.