Топологическая фотоника — направление, которое может помочь обойти ограничения фон-неймановской архитектуры и закона Мура. Из трёх ключевых видов фотоники (кремниевая, квантовая, топологическая) последняя известна неспециалистам меньше всего.
Основы: топология
Топология изучает свойства пространств, которые сохраняются при растяжении, сжатии и изгибе, но нарушаются при разрыве или склейке. Кружка и бублик (тор) топологически равны, а кружка и монолитный кубик — нет. Топология учитывает форму, а не масштаб.
Как проводят ток металлы и диэлектрики
В металле есть кристаллическая решётка и газ обобществлённых электронов — фермионов, подчиняющихся статистике Ферми-Дирака. На каждом уровне по принципу Паули могут быть только два электрона с разным спином.
У металлов уровень Ферми пересекает валентную зону, поэтому свободных электронов много. У диэлектриков энергия Ферми выше потолка валентной зоны, и между ней и зоной проводимости лежит запрещённая зона. Концентрация свободных электронов ниже на пять и более порядков.
Топологические изоляторы
В объёме топологический изолятор остаётся диэлектриком, а по поверхности проводит ток почти как сверхпроводник. Нулевого сопротивления нет, но охлаждение не нужно, и свойство сохраняется даже при сильном нагреве. Дополнительного проводящего слоя на границе нет.
Причина — инверсия зонной структуры. Атомы тяжёлых элементов (висмут, сурьма, теллур) дают сильное спин-орбитальное взаимодействие. Из-за него орбитали с разной чётностью смещаются и пересекаются, и в части зоны Бриллюэна валентная зона оказывается выше зоны проводимости. Щель в объёме при этом сохраняется, поэтому он остаётся диэлектриком.
На границе с обычным диэлектриком или вакуумом возникает топологический разрыв: плавно перейти от прямой структуры к инверсной нельзя. Появляются устойчивые двумерные поверхностные состояния с линейной дисперсией (конус Дирака) и нулевой щелью.
Эффективная масса носителей обнуляется. Спин электронов жёстко связан с направлением квазиимпульса, а рассеяние назад запрещено. Из-за этого поверхность близка по свойствам к сверхпроводнику, но работает при комнатных и более высоких температурах. Если оставить один слой решётки, получится краевой (двумерный) изолятор.
Фотонные топологические изоляторы
Тот же принцип применили к фотонам. Специально спроектированная структура переносит свет нужной длины волны вдоль границ без рассеяния и потерь, огибает углы и игнорирует дефекты. Сложность в том, что фотоны — бозоны, а не фермионы, поэтому зонную структуру сформировать труднее.
Такие узлы хорошо стыкуются с кремниевой фотоникой. Топологическая защита сигнала повысила бы эффективность и обычных микросхем при переходе на сверхмалые техпроцессы.
Проблема компактности и решения
Защита работает только на границе, поэтому объём изолятора не используется. Группа Лян Фэна из Пенсильванского университета создала реконфигурируемый фотонный изолятор размером 250 мкм. Под внешним лазером кольца-резонаторы меняют свойства, и свет перенаправляется от любого входа к любым выходам. Это прототип перенастраиваемой схемы вроде FPGA, но внешний лазер сводит на нет выигрыш в компактности.
В 2018 году группа Мерседе Хаджавихан из Университета Центральной Флориды представила топологические лазеры, устойчивые к дефектам. Основа — массив 10×10 связанных кольцевых резонаторов с квантовыми колодцами InGaAsP толщиной 30 нм. Фазовый сдвиг растёт вдоль одной оси матрицы, возникают топологически нетривиальные запрещённые зоны, и излучение идёт на длине волны 1550 нм. Накачка пока внешняя.
Сочетание таких лазеров с реконфигурируемыми изоляторами может дать полностью интегрированный квантово-оптический чип.
Работы в России
Халиль Сабур (МФТИ, Институт спектроскопии РАН) с коллегами из МГУ, Сколтеха и зарубежных центров провёл цикл работ по топологической фотонике и нелинейной локализации света. Структуры захватывали, направляли и изменяли форму света, оставаясь нечувствительными к дефектам.
С оптическими нелинейностями получились топологические солитоны, сохраняющие форму при минимальной диссипации. Кристаллографические дефекты в такой системе могут стать инструментом тонкого контроля над светом.
Квантовая фотоника
Фотонные кубиты не подвержены электромагнитным наводкам, но запутанность фотонов хрупка: у них нет массы покоя, и они всегда движутся со скоростью света. Группа Андреа Бланко-Редондо из Nokia Bell Labs сделала решётки из параллельных кремниевых нанопроволок шириной 450 нм с промежутками разной ширины. Внутри возникли зоны с разной топологией, а на границе запутанные фотоны получили топологическую защиту — но только от некоторых типов возмущений.
Свежие направления
однофотонные источники и усиление квантовой устойчивости за счёт объёмных топологических состояний;
квантово-оптическая логика для программируемых неабелевых вычислений с матричным управлением светом;
нелинейные диэлектрические метаповерхности для структурированного света, например вихревых лучей.
До серийного производства и вытеснения кремниевой микроэлектроники топологической фотонике далеко. Но результаты исследований для матричных и квантовых вычислений дают основания верить в её будущее.