дефектные моды фотонных кристаллов

Слоистые полимеры похожи на многоэтажный дом, где каждый этаж окрашен в свой цвет, а между этажами иногда возникают трещины. Эти трещины и есть дислокационные пары — нарушения периодичности, которые портят материал. Инженеры давно ищут способ управлять такими дефектами, не перестраивая весь дом целиком.

Струна звучит идеально чисто, пока её не тронет сквозняк. Примерно так работает суперрадиантный лазер: пучок атомов, заранее заряженных энергией, пролетает сквозь комнату из двух зеркал — оптический резонатор (ловушку, где свет мечется туда-сюда). Атомы дружно отдают запасённый свет, и рождается луч с чрезвычайно стабильной частотой — такой хоть в атомные часы ставь.

Длинный коридор с неровным полом: где-то бугры, где-то ямы. Если пустить по нему игрушечную машинку, она застрянет в самой глубокой яме, а не там, где её толкнули. Примерно так ведёт себя звук в фононном кристалле — материале, который состоит из периодически расположенных элементов и управляет распространением упругих волн.

Барабанщик отбивает ритм, и кожа барабана колеблется в такт. Если ударять достаточно часто, колебания накладываются, и в центре возникает почти неподвижная зона — узел. Похожий эффект возникает с микроволнами в материале, свойства которого меняются во времени. Когда изменения попадают в резонанс с волной, её движение замирает.

Инфракрасный свет не виден глазу, но он повсюду: от пульта телевизора до тепла человеческого тела. Чтобы его поймать, нужны особые материалы. Обычные детекторы громоздкие, жёсткие и плохо настраиваются на нужную длину волны. Исследователи обратились к чёрному фосфору — слоистому материалу, который можно расщепить до плёнки толщиной в несколько атомов.

Молекулы в растворе ведут себя как толпа на площади: могут беспорядочно толкаться, а могут выстроиться в ровные ряды. Водный раствор дисодиум кромогликата — известная модель хромонических жидких кристаллов, где такие «ряды» возникают сами собой. Но если посветить на раствор ультрафиолетом, порядок рушится: молекулы начинают распадаться на части.

Звук в твёрдом теле — это волны сжатия и растяжения, бегущие по атомам, как рябь по пружинному матрасу. Если расставить препятствия с нужным шагом, волны на определённых частотах не смогут пройти — отразятся назад. Такую периодическую структуру называют фононным кристаллом, и она работает для звука так же, как многослойное зеркало для света.

В кристалле металла атомы стоят ровными рядами, как кирпичи в стене. Но если выбить один кирпич, остаётся пустота — её называют вакансией. Под облучением таких пустот становится много, они начинают сливаться в большие дыры, и металл теряет прочность. Это как если бы в кирпичной стене дыры объединялись в сквозной пролом.

Свет может застревать внутри крошечных структур, как звук в идеально настроенном колоколе: энергия не выходит наружу, хотя вокруг нет стен. Такие состояния называют «связанными в континууме» — свет пойман в ловушку, но не заперт в ящике. До сих пор их получали в обычных кристаллах, где левое и правое направления неразличимы.

В мире микрочипов, где потоки фотонов — квантов света — несут информацию, возникает фундаментальная проблема: свет, проходя через вещество, неизбежно нагревает его. Этот нагрев рождает тепловые флуктуации — хаотичные, непредсказуемые толчки атомов, которые сбивают точную работу устройства. Представьте себе обычный музыкальный инструмент: струну, натянутую на хлипкой, тонкой рамке.

Настройка струны: высшие гармоники помогают держать тон, не заглушая основную ноту. В оптической микрополости — крошечном резонаторе из двух зеркал — свет гуляет между отражающими поверхностями, и любое дрожание расстояния сбивает резонанс.