Эффективный аксионный отклик и топологические состояния в метаматериалах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-72-10026

НазваниеЭффективный аксионный отклик и топологические состояния в метаматериалах

Руководитель Горлач Максим Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-301 - Физическая оптика

Ключевые слова метаматериалы, аксионная электродинамика, топологическая фотоника, невзаимный электромагнитный отклик

Код ГРНТИ29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Метаматериалы представляют собой искусственные среды с необычными электромагнитными свойствами, структурированные на масштабах, заметно меньших длины волны излучения. Благодаря своей композитной структуре метаматериалы открывают возможность управления генерацией, распространением и локализацией электромагнитных волн, а также волн другой природы, например, акустических. При этом искусственно структурированные среды также могут служить удобной платформой для тестирования новых физических эффектов и теорий. Одним из перспективных направлений поиска новой физики является проблема темной материи, состоящая в расхождении между массой галактик и скоплений галактик, определяемой оптическими методами (например, по светимости), и массой, вычисляемой из наблюдаемого движения. Подобная масса, не проявляющая себя в оптическом диапазоне, но участвующая в гравитационном взаимодействии, получила название темной материи. Перспективным кандидатом на роль частиц темной материи выступают аксионы - легкие псевдоскалярные частицы, взаимодействующие с электромагнитным полем чрезвычайно слабо. Экспериментальный поиск этих гипотетических частиц ведется рядом групп по всему миру. Если аксионы существуют, то в некоторых из уравнений Максвелла возникают добавочные слагаемые, что приводит к уравнениям аксионной электродинамики. Хотя космические аксионы на сегодняшний день еще не наблюдались, существует ряд макроскопических систем, электромагнитное поле в которых описывается уравнениями аксионной электродинамики. Таким образом, подобные структуры демонстрируют эффективный аксионный отклик, а возникающие в них квазичастицы имеют свойства аксионов. В настоящем проекте мы планируем развить концепцию аксионных метаматериалов, демонстрирующих выраженный и управляемый эффективный аксионный отклик. Работу планируется вести по следующим направлениям: 1. Разработка, моделирование и экспериментальная реализация мета-атомов с эффективным аксионным откликом. 2. Разработка композитных структур с эффективным аксионным откликом, исследование способов управления аксионным откликом и сравнение функционала с существующими твердотельными структурами. 3. С помощью разработанной платформы будут исследованы физические эффекты при наличии аксионных доменных стенок и, в частности, локализованные состояния, имеющие топологическую природу. Параллельно с этим будет вестись широкое исследование физики невзаимных метаматериалов и возможности реализации новых типов топологических состояний в них. Исследования, запланированные в настоящем проекте, носят междисциплинарный характер и находятся на стыке фотоники, физики конденсированного состояния и физики аксионов. Подобная междисциплинарность обуславливает высокую новизну и оригинальность задач проекта. При этом высокая квалификация научного коллектива и продолжающееся сотрудничество с ведущими мировыми экспертами, в том числе Нобелевским лауреатом проф. Фрэнком Вильчеком, обеспечивает достижимость намеченной программы исследований. С фундаментальной точки зрения выбранное направление актуально в контексте ведущегося поиска космических аксионов и новой физики за рамками Стандартной Модели. Разрабатываемые аксионные метаматериалы послужат настольной платформой для тестирования эффектов аксионной электродинамики, что может дать новые плодотворные идеи в поиске космических аксионов. При этом реализация таких эффектов как аксионные доменные стенки и состояния, локализованные на доменных стенках, оказывается легко осуществимой для метаматериальной платформы. В то же время, исследования новых типов топологических состояний в системах с аксионными доменными стенками и, в более широком плане, в невзаимных метаматериалах откроет новые механизмы управления распространением света и послужит шагом на пути к созданию энергоэффективных фотонных устройств.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ковитт Н., Балафендиев Р., Сан Д., Вутен М., Дростер А., Горлач М.А., ван Биббер К., Белов П.А. Tunable wire metamaterials for an axion haloscope Physical Review Applied, Том 20, выпуск 4, стр. 044051 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevApplied.20.044051

2. Сеидов Т.З., Горлач М.А. Hybridization of electric and magnetic responses in the effective axion background Physical Review A, Том 108, выпуск 5, стр. 053515 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevA.108.053515

3. Мазанов М., Роман-Кортес Д., Касерес-Аравена Г., Сид К., Горлач М.А., Висенсио Р.А. Photonic Molecule Approach to Multiorbital Topology Nano Letters, Том 24, выпуск 15, стр. 4595–4601 (год публикации - 2024)
10.1021/acs.nanolett.4c00728

4. Родионенко К.А., Мазанов М., Горлач М.А. Crafting crystalline topological insulators via accidental mode degeneracies Physical Review B, Том 109, выпуск 15, стр. 155135 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevB.109.155135

5. Барредо-Аламилья Э., Бобылев Д.А., Горлач М.А. Axion electrodynamics without Witten effect in metamaterials Physical Review B, Том 109, стр. 195136 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.195136?_gl=1*1v1lbx1*_gcl_au*MTIwMDg0MjA4Mi4xNzMzMzkyMDQ1*_ga*MTUzNjM3Mjk5Ni4xNzMzMzkyMDQ0*_ga_ZS5V2B2DR1*MTczMzQwNzQ3My4yLjAuMTczMzQwNzQ3My42MC4wLjE0NjE5NjA2ODk.

6. Мазанов М., Куприянов А.С., Савельев Р.С., Хе З., Горлач М.А. Multipole higher-order topology in a multimode lattice Physical Review B, Том 109, номер 20, стр. L201122 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.L201122?_gl=1*1jbjv3z*_gcl_au*MTIwMDg0MjA4Mi4xNzMzMzkyMDQ1*_ga*MTUzNjM3Mjk5Ni4xNzMzMzkyMDQ0*_ga_ZS5V2B2DR1*MTczMzQwNzQ3My4yLjEuMTczMzQwOTAyNS42MC4wLjE0NjE5NjA2ODk

7. Баранов К., Вагин Д., Горлач М.А. Effective chiral response of anisotropic multilayered metamaterials Physical Review B, Том 110, выпуск 23, стр. 235150 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.235150

8. Сеидов Т.З., Горлач М.А. Unbounded Tellegen response in media with multiple resonances Physical Review A, Том 111, выпуск 3, стр. 033521 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.111.033521

9. Сеидов Т.З., Горлач М.А. Multipole generalization of the Witten effect in Mie-resonant photonics Optics Letters, Том 50, выпуск 9, стр. 3054-3057 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1364/OL.559175

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
За второй год реализации проекта получена серия научных результатов мирового уровня новизны, представленных в 5 публикациях в авторитетных рецензируемых физических журналах из первого квартиля (Q1) и белого списка. 1. Разработана теоретическая модель для метаматериала, подчиняющегося модифицированным уравнениям аксионной электродинамики, содержащим дополнительные слагаемые с более высокими пространственными производными. Эти дополнительные вклады не меняют характер взаимодействия с падающими плоскими волнами и сходны со случаем обычной аксионной электродинамики. Однако взаимодействие с внесенными извне источниками оказывается существенно другим и, в частности, в структуре не наблюдается эффект Виттена. Результаты опубликованы в статье в авторитетном рецензируемом журнале Physical Review B (белый список, Q1, IF 3.5) https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.195136 2. Разработана теоретическая модель, описывающая киральный отклик метаматериала на основе анизотропных слоев, повернутых друг относительно друга. Используя теорию возмущений по малому параметру - соотношению периода структуры к длине волны излучения в вакууме - и проделав вычисления вплоть до третьего порядка малости, нами получено аналитическое выражение для эффективной киральности структуры, учитывающее ее зависимость как от анизотропии слоев, так и от частоты электромагнитной волны. Результаты опубликованы в статье в авторитетном рецензируемом журнале Physical Review B (белый список, Q1, IF 3.5) https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.110.235150 3. Разработана численная модель для динамических эффективных аксионных полей, возникающих при временной модуляции намагниченности однородной гиротропной среды. На первый взгляд, если намагниченность среды быстро изменяется так, что ее среднее равно нулю, невзаимный отклик структуры должен зануляться. Оказывается, однако, что в первом порядке малости по отношению периода модуляции намагниченности к периоду электромагнитной волны, распространяющейся в структуре, невзаимный отклик возникает, но имеет весьма специфическую природу и приводит к уравнениям аксионной электродинамики. Опираясь на разработанную модель, мы исследовали влияние сверхбыстрых колебаний намагниченности на распространение пробной волны с существенно меньшей частотой. 4. Разработана теоретическая модель мультипольного фотонного топологического изолятора на основе решетки кагоме с вырождением чётной и нечётной по отношению к инверсии мод. Разработанная модель основана на модели сильной связи, учитывает взаимодействие ближайших соседей и имеет топологическую запрещенную зону, обусловленную взаимодействием орбитальных мод различной четности в соседних волноводах. При этом для существования топологических угловых состояний в конечной решетке в форме шестиугольника не требуется тонкая настройка параметров связи волноводных мод. Аналитические расчеты и сравнение с ранее известными топологическими моделями доказывают мультипольную природу топологии в системе, уникальную для С3- и С6-симметричных моделей и не сводящуюся к известным классам ТИВП, а также дают квантованный топологический инвариант — эффективный угловой заряд. Результаты этого исследования представлены в виде письма (Letter) в авторитетном рецензируемом журнале Physical Review B (белый список, Q1, IF 3.5) https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.109.L201122 Помимо получения всех запланированных результатов первоначальный план работ существенно перевыполнен и дополнительно получены следующие оригинальные результаты: 5. Разработана теоретическая модель, описывающая ограничения на теллегеновский отклик среды со спектрально близкими дипольными резонансами. Разработанная модель демонстрирует, что в частотной области между резонансами теллегеновский отклик возрастает до значений, существенно превышающих показатель преломления структуры на соответствующей частоте и превышает описанное ранее в литературе ограничение. Наличие потерь частично подавляет данный эффект, однако значение отклика вблизи резонансов остаётся достаточно высоким. Таким образом, разработанная теоретическая модель задает путь для достижения сильного теллегеновского отклика в метаматериалах и иных искусственных средах. Результаты опубликованы в авторитетном рецензируемом физическом журнале Physical Review A (белый список, Q1, IF 2.6) https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.111.033521 6. Разработана численная модель, описывающая электромагнитные поля, создаваемые мультипольным источником, находящимся внутри шарообразного объема сплошной среды с эффективным аксионным откликом. Продемонстрировано нестатическое мультипольное обобщение эффекта Виттена, приводящее к появлению гибридизованного электрического и магнитного мультипольного отклика, независимо от типа мультиполя-источника. Была обнаружена специфическая именно для аксионного отклика структура двойных пиков в зависимости Ми-коэффициентов аксионной сферы от частоты, а также исследованы особенности влияния дисперсии и потерь на обнаруженный эффект для возможного использования его в качестве индикатора аксионного и родственных ему откликов при исследовании невзаимных метаматериалов. Результаты опубликованы в авторитетном рецензируемом научном журнале Optics Letters (белый список, Q1, IF 3.1) https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?URI=ol-50-9-3054

Публикации