Дослідники розробили інноваційний різновид фотонних кристалів, який дозволить прискорити процес обробки інформації.

Вчені створили налаштовуваний топологічний фотонний полікристал, який інтегрує різноманітні топологічні явища, щоб забезпечити мультиканальні оптичні системи з покращеною витривалістю до дефектів.

Науковці досягли значного прориву в галузі інтегрованої фотоніки, розробивши новий тип конфігурованого топологічного фотонного полікристала. Це дослідження, опубліковане в журналі National Science Review, відкриває нові можливості для створення багатоканальних оптичних схем з покращеною продуктивністю та надійністю.

Сучасні інтегровані фотонні схеми стикаються з суттєвими труднощами, пов'язаними з тривалою стабільністю та дефектами, що виникають під час їх виготовлення. Одночасно з цим спостерігається зростаюча потреба в більш складних схемах, здатних обробляти великі обсяги даних за допомогою додаткових каналів. Топологічна фотоніка пропонує інноваційні рішення завдяки своїй природній стійкості до дефектів.

Дослідницька група розробила інноваційний підхід, створивши синтетичний вимір, який поєднує простір імпульсів та простір орієнтації елементарної комірки. Створений діелектричний топологічний метаматеріал складається з еліптичних елементів, що налаштовуються, та використовує новий механізм зв'язку між псевдоспіном та ефектом долинного залу.

Вчені створили теорію збурень, яка ґрунтується на кутах структурної орієнтації. Ця теорія забезпечує можливість швидкого розрахунку та регулювання фотонних заборонених зон. Дослідники виявили, що зміна зазначених кутів призводить до незначних зсувів в енергетичних зонах, що ефективно модулює "масовий член" системи.

Щоб повністю охарактеризувати це явище, команда реалізувала інтеграцію запропонованої скалярної теорії збурень, трактуючи кути орієнтації як параметри для синтетичного виміру. Для кожної фотонної решітки вдалося створити тривимірний синтетичний простір, об'єднуючи двовимірний простір імпульсів Блоха та одновимірний вимір кута орієнтації.

Цей новаторський підхід дозволив обчислювати топологічні інваріанти як неперервні функції кутів орієнтації, створюючи потужну теоретичну основу для аналізу топологічних властивостей системи. При поєднанні обох топологічних ефектів виявилося, що цей гібридно-розмірний простір залежить від двох незалежних кутів орієнтації та одновимірного простору імпульсів вздовж доменних стінок.

Завдяки детальному гібридно-розмірному аналізу дослідники систематично відстежили, як об'ємні стани, крайові стани та кутові стани еволюціонують зі зміною кута орієнтації. Ці відкриття фундаментально пояснюють, як архітектура гібридного топологічного полікристала досягає надійних, динамічно реконфігурованих фотонних функціональностей.

Команда також презентувала новий локальний показник якості, який був спеціально створений для опису гібридних власних мод у заборонених зонах. Завдяки інтеграції локальної густини станів на визначених частотах, ця кількісна метрика пропонує ефективний спосіб оцінки продуктивності гібридних топологічних фотонних пристроїв.

Для підтвердження теоретичних результатів дослідники експериментально реалізували гібридну топологічну фотонну інтегровану схему, яка успішно продемонструвала багатозонні крайові стани з високим контрастом та вищого порядку кутові стани вздовж інтерфейсу. Цей метод уможливлює створення логічних елементів на чипі, з'єднувачів та щільної оптичної комунікації через багатозонні хіральні крайові канали, одночасно підтримуючи розробку багатозонних лазерів з надмалими об'ємами мод та різноманітними кутовими станами.

Концепція фотонної решітки, яка залежить від орієнтації, відкриває нові горизонти для створення реконфігурованих і програмованих активних топологічних пристроїв. У найближчому майбутньому науковці мають намір дослідити нелінійні ефекти в гібридних топологічних полікристалах, що дозволить поліпшити їх мультимодальні та багатозонні властивості, відкриваючи нові можливості як для класичних, так і для квантових фотонних технологій.