Instytut Łączności

W fotonice topologicznej chodzi w gruncie rzeczy o sprawę stosunkowo prostą: o stworzenie „kanału”, w którym może zachodzić niezakłócony przepływ fotonów.  Przepływ ten może być ukierunkowany, tj. zachodzić jednym kierunku, niezależnie od zaburzeń występujących w materiale. Taki ruch fotonów obserwuje się na krawędziach materiałów, które w swoim wnętrzu nie pozwalają światłu się rozchodzić.  

Zanim w latach 2000 powstała fotonika topologiczna, odkryto, że są materiały które przewodzą prąd jedynie na krawędziach, nie przewodząc go wewnątrz swojej struktury. I to niezależnie od kształtu - czy może raczej - odkształcenia obiektu wykonanego z takiego krawędziowo przewodzącego materiału.  

Żeby wyobrazić sobie istotę badań nad fotoniką topologiczną, trzeba jeszcze zrozumieć czym jest sama topologia (nie mylić z topografią), dziedzina matematyki wyższej, która bada przedmioty nie zmieniające swoich właściwości mimo zmiany kształtu. Kubek czy krążek - to w ujęciu topologicznym to samo. Choć intuicyjnie trudno to zaakceptować.  

Klasyczna fotonika skupia się na optymalizacji tego, jak światło rozchodzi się w danym ośrodku. Topologiczna fotonika zmienia perspektywę - projektujemy takie struktury, w których pewne kanały propagacji są po prostu dozwolone lub zabronione 

- mówił podczas seminarium naukowego, relacjonując badania prowadzone w Instytucie, dr Bartosz Janaszek z Zakładu Centralnej Izby Pomiarów Telekomunikacyjnych i Fotoniki IŁ-PIB. 

Dr Janaszek pokazał, w jaki sposób pojęcia matematyczne, takie jak niezmienniki topologiczne znajdują swoje odpowiedniki w fizyce, gdzie zamiast kształtów analizowane są struktury pasmowe i stany falowe. 

Topologia w fizyce nie mówi o geometrii jako takiej, tylko o pewnych globalnych cechach układu (obiektu, ciała) - takich, które pozostają niezmienne mimo zaburzeń, które na nie wpływają

– wyjaśniał. 

To właśnie ta odporność na zaburzenia czyni podejście topologiczne szczególnie atrakcyjnym w kontekście technologii. 

Jednym z kluczowych problemów współczesnej fotoniki jest wrażliwość struktur optycznych na niedoskonałości wykonania. Nawet niewielkie odchylenia mogą prowadzić do strat, rozpraszania czy utraty kontroli nad sygnałem, jego zaniku. 

Topologiczna fotonika proponuje rozwiązanie tego problemu poprzez wykorzystanie stanów, które są „chronione” przez właściwości topologiczne układu.

Stany topologiczne wykazują zwiększoną odporność na defekty wytwarzania i zaburzenia w strukturze. To oznacza bardziej stabilną propagację i mniejsze straty

– podkreślał prelegent. 

W praktyce oznacza to możliwość budowy komponentów, między innymi stosowanych w komputerach kwantowych, które działają przewidywalnie nawet w nieidealnych warunkach.  

Jednym z najbardziej inspirujących elementów prezentacji była koncepcja syntetycznych wymiarów. Zamiast budować złożone, wielowymiarowe struktury fizyczne, możliwe jest odwzorowanie ich właściwości przy użyciu parametrów takich jak częstotliwość czy czas.

Nie musimy ograniczać się do fizycznych wymiarów przestrzeni. Możemy je zastąpić wymiarami syntetycznymi - i w ten sposób uzyskać efekty, które normalnie wymagałyby znacznie bardziej skomplikowanych struktur

– stwierdził dr Janaszek. 

To podejście pozwala znacząco uprościć projektowanie układów, jednocześnie zachowując ich zaawansowane właściwości topologiczne.  

W prezentowanych badaniach szczególne miejsce zajmuje grafen - materiał o wyjątkowych właściwościach elektrycznych i optycznych. W połączeniu z topologicznymi strukturami umożliwia on budowę czujników o bardzo wysokiej czułości. 

Dzięki odpowiedniej parametryzacji możemy uzyskać układ, w którym stan optyczny bezpośrednio odzwierciedla zmianę badanego parametru - na przykład stężenia gazu

– podkreślał dr Janaszek dodając, że proponowane rozwiązania mogą osiągać czułość znacząco przewyższającą dotychczasowe technologie, co czyni je obiecującymi w kontekście zastosowań środowiskowych i przemysłowych.  

Choć topologiczna fotonika pozostaje w dużej mierze w fazie badań, jej potencjał aplikacyjny jest już wyraźnie widoczny. W trakcie dyskusji pojawił się również wątek komercjalizacji i realnych wdrożeń. 

Nie ma jeszcze wielu rozwiązań w pełni wdrożonych komercyjnie, ale kierunki są jasne - komunikacja, sensoryka i technologie kwantowe. To tam te rozwiązania będą się rozwijać najszybciej

– podsumował prelegent. 

Zespół IŁ-PIB planuje dalsze prace nad rozwijaniem tych technologii, w tym nad wykorzystaniem metamateriałów oraz zaawansowanych metod modelowania struktur optycznych.