Содержание
Ученые ИТМО разработали новую стратегию создания фотонных топологических изоляторов
11 октября, 2022 12:49
Источник:
пресс-служба ИТМО
Коллектив фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов» ИТМО предложил новый подход к созданию фотонных топологических структур. Идея работы — в управлении топологическими свойствами за счет взаимной ориентации метаатомов. В статье, опубликованной в журнале Laser & Photonics Reviews, физики теоретически и экспериментально продемонстрировали топологические краевые и угловые состояния. Эти результаты позволяют сделать еще один шаг в сторону использования топологических структур в фотонных метаустройствах.
Поделиться
Фотонные топологические изоляторы — искусственно созданные кристаллические структуры, проводящие свет по краям, но не пропускающие его в объем.
Также они устойчивы к дефектам структуры. Первые конструкции таких изоляторов требовали использования магнитного поля, что осложняло эксперименты. Современные же фотонные топологические структуры не требуют приложения внешнего магнитного поля, а опираются лишь на подбор определенной геометрии кристаллической решетки.
Известный пример подобной структуры ― массив электромагнитных рассеивателей (например кремниевых наноцилиндров), составляющих решетку графена. Если немного изменить геометрию такой кристаллической решетки, то в определенной области частот свет будет распространяться по краю структуры, огибая все препятствия и острые углы без рассеяния назад. Аналогичными свойствами обладает и кристаллическая решетка кагоме ― название она получила от японского способа лозоплетения. В 2020 году группа ученых ИТМО и Городского университета Нью-Йорка обнаружила, что такая структура поддерживает состояния света не только локализованные на краях, но и на углах.
«Мы показали, что в таких решетках кагоме действительно могут существовать топологические угловые состояния, и притом нескольких типов.Происходит это за счет того, что между собой взаимодействуют все элементы системы, а не только ближайшие друг к другу», — комментирует научный сотрудник Нового физтеха ИТМО и один из авторов статьи Дмитрий Жирихин.
Происходит это за счет того, что между собой взаимодействуют все элементы системы, а не только ближайшие друг к другу», — комментирует научный сотрудник Нового физтеха ИТМО и один из авторов статьи Дмитрий Жирихин.
Однако перестраивать геометрию решетки в режиме реального времени крайне сложно: после изготовления структуры свойства топологических состояний уже не поменять.
Решение проблемы динамической перестройки
Не так давно ученым ИТМО совместно с коллегами из Цзилиньского и Австралийского национального университетов удалось показать, что при использовании нецентросимметричных электромагнитных рассеивателей можно создавать одномерные структуры, топологические свойства которых определяются взаимной ориентацией этих рассеивателей, а не геометрией решетки. Следующим шагом коллектива фронтирной лаборатории стало исследование двумерных структур.
«Принципиальная суть одна и та же — управление свойствами всего массива за счет изменения взаимной ориентации составляющих частиц.
Одномерная система поддерживает только краевые состояния, а двумерная поддерживает как краевые, так и угловые. Это добавляет гибкости в управлении светом. Мы взяли за основу не чередование расстояний, а чередование ориентаций. Это может быть удобнее, если мы захотим перестроить некоторые из свойств топологического состояния, например его длину локализации. Мы можем просто повернуть метаатомы, и свойства решетки поменяются», — объясняет автор статьи, аспирант Нового физтеха Даниил Бобылев.
Объединив свои усилия с коллегами из Австралийского национального университета, а также с группой профессора Александра Ханикаева из Городского университета Нью-Йорка, ученым удалось не только теоретически и численно предсказать возникновение и перестройку топологических краевых и угловых состояний за счет чередования ориентаций метаатомов, но и подтвердить эту идею экспериментально.
Планы и перспективы
«На сегодня у фотонных топологических структур есть ряд применений: это топологические волноводы, в которых свет не рассеивается на изгибах, топологические резонаторы с собственной частотой, защищенной от дефектов, и топологические лазеры.
Возможность гибкой перестройки свойств топологических структур, показанная нашей командой — это важный шаг на пути к использованию фотонной топологии в будущих метаустройствах», — комментирует руководитель фронтирной лаборатории «Исследование фундаментальной физики с помощью топологических метаматериалов», ведущий научный сотрудник ИТМО Максим Горлач.
В будущем авторы планируют расширить свой подход на трехмерные топологические структуры, что позволит управлять распространением света по сложным трехмерным траекториям. Исследования научного коллектива ведутся при поддержке программы «Приоритет-2030», а также Российского научного фонда.
Теги
Президентская программа, Физика и космос, Молодежные группы
Новости Фонда
Новости Фонда
Категория
31 октября, 2022
Обнаружен новый физический эффект, который может лечь в основу перспективных квантовых устройств
Физики открыли новый тип резонансных осцилляций сверхпроводящего критического тока, связанных с тунн.
..
31 октября, 2022
Объявлены победители первого совместного конкурса РНФ и БРФФИ
Подведены итоги первого совместного конкурса по поддержке российско-белорусских научных коллективов…
31 октября, 2022
Какую опасность подземным водам Севера несет таяние вечной мерзлоты
Из экспедиции в Ямало-Ненецкий и Ханты-Мансийский автономные округа вернулись сотрудники Томского фи…
31 октября, 2022
Биологи СПбГУ первыми в мире изучили улиток из самых северных хемосинтетических сообществ Тихого океана
Группа ученых, в которую вошли биологи Санкт-Петербургского государственного университета, обнаруж…
31 октября, 2022
Химики СКФУ разрабатывают новые органические технологии для области неврологии и психиатрии
Ученые Северо-Кавказского федерального университета разрабатывают технологии, которые в перспективе .
..
28 октября, 2022
Ученые придумали, как управлять свойствами сплава железа и никеля
Физики Уральского федерального университета рассчитали, как улучшить свойства сплава железа и никеля…
28 октября, 2022
Александр Осадчиев: о речных плюмах, важности исследования рек и научных открытиях
Мировой океан — удивительная и притягательная среда, которую человечество изучает на протяжении соте…
27 октября, 2022
В поисках праматери бурых медведей
Группа российских и норвежских исследователей под руководством директора по развитию лаборатории пал…
27 октября, 2022
Ученые выяснили, как даже легкое течение COVID-19 снижает качество спермы
Петербургские ученые продемонстрировали, что спустя почти полгода в сперматозоидах мужчин, перенесши.
..
27 октября, 2022
Предложен новый способ получения прочных полимерных аэрогелей
Коллектив ученых из Института физиологически активных веществ РАН, Института общей и неорганической …
27 октября, 2022
В России предложили новый материал для перовскитных солнечных батарей
Новый тип материалов для одного из элементов солнечных батарей предложили специалисты УрФУ и ИОС УрО…
26 октября, 2022
Ирина Исакова-Сивак: об универсальных вакцинах, коронавирусе и работе ученого
Коронавирус SARS-CoV-2 с 2020 года унес более шести миллионов человеческих жизней. Для борьбы с ним …
26 октября, 2022
Опубликован новый выпуск дайджеста новостей Фонда
РНФ публикует свежий выпуск обзора ярких результатов грантополучателей Фонда, освещавшихся в СМИ в п.
..
26 октября, 2022
Межзвездная пыль позволила ученым взглянуть на Млечный Путь из далеких галактик
Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ), Физического института имени П. Н. Лебеде…
26 октября, 2022
В России создали алгоритм, выявляющий ковид по двум показателям крови
Исследователи из России разработали систему машинного обучения, способную за несколько минут выявить…
26 октября, 2022
Как микробиота кишечника реагирует на изменение рациона
Коллектив российских ученых Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомед…
25 октября, 2022
Новый опросник поможет россиянам лучше понять свое «истинное Я»
Российские ученые адаптировали к российской культуре зарубежный опросник, оценивающий способность че.
..
24 октября, 2022
Обнаружена причина появления дефектов солнечных батарей
Специалисты Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова выяснили, что срастание к…
Научное моделирование — Science Learning Hub
Добавить в коллекцию
В науке модель — это представление идеи, объекта или даже процесса или системы, которое используется для описания и объяснения явления, которые нельзя испытать непосредственно. Модели занимают центральное место в том, что делают ученые, как в своих исследованиях, так и при передаче своих объяснений.
Модели — это мысленно-визуальный способ связать теорию с экспериментом, и они направляют исследования, будучи упрощенными представлениями воображаемой реальности, которые позволяют разрабатывать и проверять предсказания экспериментально.
Почему ученые используют модели
Модели можно использовать по-разному — от объяснения сложных данных до представления в качестве гипотезы.
Ученые могут предложить более одной модели для объяснения или предсказания того, что может произойти в определенных обстоятельствах. Часто ученые спорят о «правильности» своей модели, и в процессе эта модель либо эволюционирует, либо отвергается. Следовательно, модели занимают центральное место в процессе накопления знаний в науке и демонстрируют, насколько научное знание является предварительным.
Подумайте о модели, показывающей Землю — глобус. До 2005 года глобусы всегда были художественным представлением того, как, по нашему мнению, выглядела планета. (В 2005 году был создан первый глобус с использованием спутниковых снимков НАСА.) Первый известный глобус, который был сделан (в 150 г. до н.э.), был не очень точным. Глобус был построен в Греции, поэтому, возможно, в Европе был показан лишь небольшой участок земли, и на нем не было бы ни Австралии, ни Китая, ни Новой Зеландии! По мере накопления знаний за сотни лет модель совершенствовалась до тех пор, пока к тому времени, когда был создан глобус, сделанный из реальных изображений, не было заметной разницы между репрезентацией и реальной вещью.
Построение модели
Ученые начинают с небольшого количества данных и со временем все лучше и лучше представляют явления, которые они объясняют или используют для прогнозирования. В наши дни многие модели, скорее всего, будут математическими и выполняются на компьютерах, а не являются визуальным представлением, но принцип тот же.
Использование моделей для прогнозирования
В некоторых ситуациях ученые разрабатывают модели, чтобы попытаться предсказать что-либо. Лучшими примерами являются климатические модели и изменение климата. Люди не знают в полной мере, какое влияние они оказывают на планету, но мы много знаем об углеродных циклах, круговоротах воды и погоде. Используя эту информацию и понимание того, как взаимодействуют эти циклы, ученые пытаются выяснить, что может произойти. Модели также полагаются на работу ученых по сбору качественных данных для ввода в модели. Чтобы узнать больше о работе по сбору данных для моделей, ознакомьтесь с проектом Арго и работой, проводимой для сбора крупномасштабных данных о температуре и солености, чтобы понять, какую роль играет океан в климате и изменении климата.
Например, они могут использовать данные, чтобы предсказать, каким может быть климат через 20 лет, если мы будем продолжать производить углекислый газ с нынешними темпами — что может произойти, если мы будем производить больше углекислого газа и что произойдет, если мы будем производить меньше. Результаты используются для информирования политиков о том, что может произойти с климатом и что можно изменить.
Другое распространенное применение моделей — управление рыболовством. Рыболовство и продажа рыбы на экспортные рынки являются важной отраслью для многих стран, включая Новую Зеландию (стоимостью 1,4 миллиарда долларов в 2009 году).). Однако чрезмерный вылов рыбы представляет собой реальный риск и может привести к разрушению промысловых угодий. Ученые используют информацию о жизненном цикле рыб, схемах размножения, погоде, прибрежных течениях и местах обитания, чтобы предсказать, сколько рыбы может быть выловлено из определенного района, прежде чем популяция сократится ниже точки, при которой она не сможет восстановиться.
Модели также можно использовать, когда полевые эксперименты слишком дороги или опасны, например, модели, используемые для прогнозирования распространения огня в автодорожных туннелях и развития пожара в здании.
Как узнать, работает ли модель?
Модели часто используются для принятия очень важных решений, например, сокращение количества рыбы, которую можно выловить в каком-либо районе, может вывести компанию из бизнеса или помешать рыбаку сделать карьеру, которая была в его семье из поколения в поколение. .
Затраты, связанные с борьбой с изменением климата, почти невообразимы, поэтому важно, чтобы модели были правильными, но часто это случай использования наилучшей информации, доступной на сегодняшний день. Модели необходимо постоянно тестировать, чтобы убедиться, что используемые данные предоставляют полезную информацию. Ученые могут задать вопрос о модели: соответствует ли она известным нам данным?
Для изменения климата это немного сложно. Это может соответствовать тому, что мы знаем сейчас, но достаточно ли мы знаем? Один из способов проверить модель изменения климата — запустить ее в обратном порядке.
Может ли он точно предсказать то, что уже произошло? Ученые могут измерить то, что произошло в прошлом, поэтому, если модель соответствует данным, считается, что она заслуживает большего доверия. Если это не подходит, пришло время сделать еще немного работы.
Этот процесс сравнения предсказаний модели с наблюдаемыми данными известен как «наземная проверка». Для управления рыболовством наземная проверка включает в себя выезд и взятие проб рыбы в разных местах. Если в регионе не так много рыбы, как предсказывает модель, пора проделать дополнительную работу.
Узнайте больше о наземной проверке в разделе Спутники измеряют толщину морского льда. Здесь ученые проверяют спутниковые данные о толщине льда в Антарктиде, чтобы эти данные можно было использовать для моделирования того, как могут меняться климат Земли, температура и уровень моря.
Природа науки
Модели всегда играли важную роль в науке и продолжают использоваться для проверки гипотез и прогнозирования информации.
Часто они неточны, потому что у ученых может не быть всех данных. Важно, чтобы ученые проверяли свои модели и были готовы улучшать их по мере появления новых данных. Построение модели может занять время — на создание точной модели земного шара ушло более 2000 лет — будем надеяться, что точная модель изменения климата займет значительно меньше времени.
Полезные ссылки
Пример научной модели на YouTube.
Опубликовано 10 мая 2011 г., обновлено 13 ноября 2018 года. Ссылки на концентраторы
Перейти к полному глоссарию
Добавить 0 пунктов в коллекцию
Загрузка 0.
Загрузка All
.
Европейский центр передового опыта NOMAD
Европейский центр передового опыта NOMAD призван упростить поиск новых материалов и ранее неизвестных свойств материалов
Новые технологические разработки практически всегда основаны на лучших, а зачастую и совершенно новых материалах.
Это относится к следующему поколению смартфонов, экономичных автомобилей или мощных аккумуляторов для электромобилей, а также к катализаторам для производства метана или жидкого топлива и высокопроизводительным солнечным элементам. Благодаря Европейскому центру передового опыта NOMAD ( Novel Materials Discovery ), официально начавшему работу 1 ноября 2015 года, поиск подходящих материалов для таких разрозненных приложений станет проще. Возглавляемая Матиасом Шеффлером, директором Института им. Фрица Габера Общества Макса Планка в Берлине, группа ученых из восьми исследовательских центров и четырех высокопроизводительных компьютерных центров по всей Европе объединила свои усилия. Центр передового опыта получит поддержку в размере пяти миллионов евро в течение следующих трех лет в рамках рамочной исследовательской программы ЕС Horizon 2020.
Сегодня известно около 200 000 различных материалов, начиная с бесчисленных сплавов и заканчивая органическими соединениями, такими как полимеры и гибридные системы органических и неорганических веществ.
Но это только часть всех возможных соединений. «Многие материалы, которые могли бы быть интересными с научной и технологической точек зрения, до сих пор нам совершенно неизвестны», — говорит директор Max Planck Матиас Шеффлер. «И даже у известных материалов многие удивительные свойства до сих пор оставались скрытыми». Изменить это — одна из целей его и его исследовательской группы. В команду Nomad Center of Excellence входят Клаудия Драксль, профессор Университета имени Гумбольдта в Берлине и научный сотрудник Макса Планка в Институте Фрица Габера, Анхель Руио, директор Института структуры и динамики материи Макса Планка в Гамбурге, и Стефан Хайнцель, директор Центра вычислений и данных Макса Планка в Гархинге. Семинар в Доме Харнака Общества Макса Планка в Берлине стал стартовым сигналом.
Основой работы Европейской исследовательской ассоциации является база данных Nomad-repository.eu, доступная для всех на основе принципов открытого доступа. В настоящее время он создается под руководством Матиаса Шеффлера и Клаудии Драксл и финансируется за счет ежегодного тематического проекта 2015 года членов Общества поддержки Макса Планка.
Исследователи всего мира вносят в банк данных фундаментальные физические параметры известных материалов, рассчитанных с помощью квантово-механических методов, и тем самым делают свою работу доступной для всех, понятной и пригодной для дополнительных целей.
Неизвестные соединения в качестве предложений для специального применения
Сбор данных в хранилище Nomad является необходимым условием для работы Центра передового опыта Nomad. Исследователи Центра теперь будут разрабатывать программное обеспечение для получения информации о материалах из необработанных данных квантово-механических расчетов, которое будет непосредственно полезно для пользователей, например, из промышленности. «Таким образом мы хотим создать всеобъемлющую энциклопедию материаловедения, которая также будет доступна для всех», — говорит Матиас Шеффлер.
Виртуальный справочник, однако, не только предоставит информацию об известных соединениях и их известных свойствах. Скорее, энциклопедия должна позволять предлагать ранее неизвестный материал с желаемыми свойствами для специального применения или выявлять ранее неизвестные свойства известных материалов.
Для этого ученые консорциума Nomad разработают методы и программное обеспечение, которые распознают связи между структурой и свойствами среди множества уже известных материалов. «На основе этих тенденций программное обеспечение должно предлагать еще неизвестные соединения среди бесчисленных возможных химических комбинаций, которые могут быть рассмотрены для специального применения», — объясняет Матиас Шеффлер.
Для подготовки данных квантовых вычислений, а также для изучения ранее неизвестной области материаловедения исследователи Nomad используют два основных подхода: с одной стороны, они используют методы интеллектуального анализа данных для обнаружения закономерностей в больших объемах данных. Это позволяет делать прогнозы о ранее неизвестных веществах или неизвестных свойствах. С другой стороны, ученые продолжают разрабатывать процедуры машинного обучения для материаловедения, в том числе известные как сжатое зондирование. Этот математический метод выбирает те из бесчисленных элементов информации в базе данных NOMAD, которые имеют отношение к специальному анализу.