Международный исследовательский коллектив из Греции (FORTH, Университет Крита), Китая (Университет Вестлейк, Университет Тунцзи), Великобритании (Университет Сент-Эндрюс) и России (МФТИ, СПбГУ) впервые показал создание и управление экзотическими топологическими состояниями фотонов при комнатной температуре, используя самособирающиеся кристаллы перовскита. Поместив кристаллы в микрорезонатор, учёные сформировали «искусственные» магнитные поля для света, что позволило наблюдать уникальные, устойчивые оптические моды. Статья опубликована в журнале Light: Science & Applications.
В электронике давно управляют потоком электронов с помощью магнитных полей, используя их заряд и спин. Аналогичный контроль над фотонами обещает прорыв в оптических вычислениях, но из-за отсутствия заряда и слабого взаимодействия с магнитным полем добиться этого оказалось непросто. Решение — «искусственные» магнитные поля, генерируемые внутри материала и действующие на поляризацию света. В физике твёрдого тела этот механизм известен как спин-орбитальное взаимодействие: связь между поляризацией фотона и его движением, порождающая топологические состояния — конфигурации, защищённые от дефектов подобно прочному узлу.
Для реализации платформы учёные выбрали гибридные двумерные перовскиты — кристаллы, напоминающие нанослоёный «сэндвич» из органических и неорганических пластин. Благодаря сильной оптической анизотропии свет разных поляризаций распространяется в них с разной скоростью. В эксперименте каплю горячего раствора прекурсоров поместили между двумя зеркалами микрорезонатора. При остывании в резонаторе самопроизвольно образовывались ультратонкие кристаллы, свободно ориентировавшиеся в пространстве и избавившие от необходимости в сложной нанолитографии.
Когда свет попадал в такой «сэндвич», резонатор разделял его на две поляризации, закладывая базовое синтетическое поле. Анизотропный перовскит усиливал это расщепление в зависимости от ориентации кристалла, что вместе давало мощное спин-орбитальное взаимодействие. В результате световые моды с разными поляризациями гибридизировались, и в энергетическом спектре системы возникали анти-пересечения — верный признак сильного взаимодействия. При этом двулучепреломление заставляло фотоны «видеть» разный показатель преломления в зависимости от их поляризации.
Алексей Кавокин, директор Международного центра теоретической физики им. А. А. Абрикосова МФТИ, пояснил: «Соединение оптической анизотропии и спин-орбитального взаимодействия позволило получить поляритонные состояния с отрицательной эффективной массой. Такая «противогравитация» квазичастиц открывает путь к сверхтвердой фазе поляритонной светоматерии и создаёт предпосылки для сверхчувствительных оптических приёмников или мантии-невидимки.»
Кульминацией стало обнаружение топологических особенностей: эффективное магнитное поле формировало «дьявольские точки» — места, где синтетическое поле обращалось в ноль, а энергетические уровни фотонов сливались. Вокруг этих точек возникала гигантская кривизна Берри, выступающая источником топологического заряда и создающая вихревую структуру световых мод.
Новизна исследования не ограничивается материалом: авторы разработали обобщённую трёхмерную модель, учитывающую произвольную ориентацию анизотропного кристалла в резонаторе. Появление диаболических точек и ненулевая кривизна Берри доказывают реализацию нетривиального топологического состояния света.
Теоретическая модель подтверждена опытом: в одном направлении распространения уровни фотонов пересекались без взаимодействия, а в обратном наблюдался чёткий анти-пересечение — признак сильной спин-орбитальной связи, эквивалентной синтетическому магнитному полю.
Алексей Кавокин добавил: «Открытие асимметричных дьявольских точек демонстрирует, что топологию света можно гибко менять — достаточно варьировать ориентацию кристаллов, чтобы перестраивать «правила движения» фотонов. Это открывает дверь к мантии-невидимке, заставляющей свет обходить объект.»
Перовскиты в исследовании выступают не только как пассивный анизотропный элемент, но и как активная среда с сильными экситонными резонансами, образующими гибридные квазичастицы — поляритоны. Авторы показали, что при сильной связи света и экситонов топологические эффекты сохраняются, что открывает перспективу топологических поляритонных лазеров.
Практическая значимость работы трудно переоценить: топологически защищённые моды могут лечь в основу фотонных интегральных схем, передающих сигнал без потерь при дефектах или изгибах волновода. «Искусственные» магнитные поля позволяют создавать невзаимные компоненты — оптические изоляторы и циркуляторы, необходимые для стабильных лазеров и квантовых вычислительных систем. Кроме того, это направление прокладывает путь к спиноптронике, где поляризация света используется для кодирования и обработки информации.
В дальнейшем учёные планируют реализовать активное управление ориентацией кристалла: благодаря собственным экситонным свойствам перовскита возможно динамическое изменение топологии поляритонных мод.
Авторы предложили обобщённую теоретическую модель полной анизотропии кристалла произвольной трёхмерной ориентации, что позволило точно предсказать и объяснить смещение дьявольских точек. Исследование создаёт новую платформу для экзотических световых состояний и задаёт фундаментальные вопросы о взаимодействии света, материи и топологии.
Mavrotsoupakis E.G., Mouchliadis L., Cao J. et al. Unveiling asymmetric topological photonic states in anisotropic 2D perovskite microcavities. Light Sci Appl 14, 207 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-025-01852-8
