Новый способ объединить два различных состояния материи, открытый физиками

Топологически различные фотонные кристаллы (оранжевый и синий) со слоем гексагонального нитрида бора наверху позволяют связывать топологический свет и колебания решетки с образованием киральных полусветовых полуволебательных возбуждений, которые можно надежно направлять по одномерным каналам. Предоставлено: Филипп Комиссаренко и Шрирам Гуддала.

В исследовании использовалась топологическая фотоника — новое направление в фотонике, в котором используются фундаментальные идеи математической области топологии о сохраняемых величинах — топологических инвариантах — которые остаются постоянными при изменении частей геометрического объекта при непрерывных деформациях. Одним из простейших примеров таких инвариантов является количество отверстий, которое, например, делает пончик и кружку эквивалентными с топологической точки зрения. Топологические свойства наделяют фотоны спиральностью, когда фотоны вращаются во время распространения, что приводит к уникальным и неожиданным характеристикам, таким как устойчивость к дефектам и однонаправленное распространение вдоль границ раздела между топологически различными материалами. Благодаря взаимодействию с вибрациями в кристаллах эти спиральные фотоны можно затем использовать для передачи инфракрасного света вместе с вибрациями.

Эта работа имеет широкий смысл, в частности, она позволяет исследователям развивать рамановскую спектроскопию, которая используется для определения колебательных мод молекул. Исследование также является многообещающим для колебательной спектроскопии, также известной как инфракрасная спектроскопия, которая измеряет взаимодействие инфракрасного излучения с веществом через поглощение, испускание или отражение. 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 из инженерной школы CCNY Grove. «Это полусвет и полувибрации. 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 раньше было невозможно направить их вокруг дефектов и острых углов ».

Новая методология может также реализовать направленную лучистую теплопередачу, форму передачи энергии, во время которой тепло рассеивается посредством электромагнитных волн.

«Мы можем создать каналы произвольной формы для этой формы гибридных возбуждений света и материи, которые будут направляться в рамках созданного нами двумерного материала», — добавил доктор Шрирам Гуддала, научный сотрудник группы профессора Ханикаева и первый автор книги. рукопись. «Этот метод также позволяет нам переключать направление распространения колебаний по этим каналам, вперед или назад, просто путем переключения поляризационной направленности падающего лазерного луча. Интересно, что при распространении фонон-поляритонов колебания также вращаются вместе с электрическим полем. Это совершенно новый способ направлять и вращать колебания решетки, что также делает их спиралевидными ».