Электрические цепи помогли физикам подсмотреть за топологическим состоянием света

Физики из России и Италии построили электрическую схему для симуляции динамики взаимодействия фотонов. Разработанная учеными схема позволила смоделировать топологические краевые состояния двух запутанных фотонов. Работа представлена в журнале Nature Communications.

В последние десятилетия ученые активно изучают топологические эффекты в физике. Например, фотонные топологические состояния могут помочь в создании топологически защищенных квантовых компьютеров. Такие состояния обладают большей когерентностью, что позволяет физиками лучше управлять ими. На сегодняшний день реализация фотонных топологических состояний является сложной экспериментальной задачей, однако, теоретические исследования показывают, что топологические эффекты можно наблюдать в системе взаимодействующих фотонов. 

Физики из ИТМО, МФТИ и Политехнического университета Торино рассмотрели цепочку нелинейных резонаторов, описываемых моделью Бозе — Хаббарда, в которых фотоны могут взаимодействовать. Взаимодействие квантовых частиц порождает связанные состояния фотонов. Однако, теория Бозе — Хаббрда не способна описать появление связных состояний, поэтому физики использовали более сложную модель, которая подразумевает два процесса: туннелирование фотонов между резонаторами и эффективное фотон-фотоное взаимодействие, возникающее из-за нелинейности среды. При определенных условиях краевые связные состояния фотонов, которые называются дублонами (doublones), можно описать как топологическое состояния света: модель, представленная физиками, в пределе сильного взаимодействия переходит в топологическую модель SSH (Su-Schrieffer-Heeger).

Тем не менее, создание топологических состояний света, в том числе и дублонов, инженерно трудная задача, поэтому ученые разработали электрическую цепь, которая эффективно моделирует одномерную квантовую задачу. 

Электрический аналог квантовой одномерной задачи. Направление, указанное красным, соответствует появлению состояний дублонов. Синяя точка — краевые дублонные состояния. Справа изображена фотография экспериментальной установки и образца.

Nikita A. Olekhno, et al. — Nature Communications 11, 1436 (2020).

Физики показали, что состояния дублонов действительно присутствуют в системе, с помощью анализа спектра связных состояний в электрической цепи. Для этого ученые прикладывали напряжение к одному из узлов цепи и снимали напряжения всех остальных узлов. Наличие пиков в спектре указало на то, что топологические краевые состояния возможны в моделируемой системе.

Спектр дублонов — наличие пиков свидетельствует о существовании краевых связных состояниях.

Nikita A. Olekhno, et al. — Nature Communications 11, 1436 (2020).

 

Ученые полагают, что представленная эмуляция двухфотонных топологических состояний может помочь физикам в исследовании топологических эффектов в физике взаимодействующих системах. 

Топология в физике крайне интересная тема: в 2016 году за открытие топологических эффектов в физике конденсированного состояния вручили Нобелевскую премию, а в 2018 году ученые из России впервые изготовили топологические наноструктуры для нелинейной генерации света.

Михаил Перельштейн

Источник: N+1