Investigadores de la Universidad de Rostock han desarrollado un nuevo tipo de circuito fotónico no lineal en el que haces de luz intensa pueden definir su propio camino y, al hacerlo, hacerse inmunes a las perturbaciones externas. Este descubrimiento fue publicado recientemente en la reconocida revista Ciencias .

"Los fotones son un grupo rebelde, "explica el profesor Alexander Szameit, cuyo grupo llevó a cabo los experimentos pioneros. "Tan pronto como uno logra conducirlos hacia un punto específico en el espacio y el tiempo, inmediatamente se dispersan una vez más en todas las direcciones ". Se han dedicado siglos de investigación a moldear el flujo de luz por varios medios:Las lentes y los espejos curvos pueden enfocar con precisión los rayos del sol. Los láseres potentes generan haces coherentes y pulsos cortos de luz intensa. Y los cables de fibra óptica entregan cantidades asombrosas de datos codificados ópticamente en la red mundial. Todavía, Las ondas de luz son entidades sorprendentemente delicadas:una pequeña grieta en una lente, una mota de polvo a la deriva a través de un rayo láser, o una torcedura en la fibra puede alterar los intrincados mecanismos que transforman la luz en quizás la herramienta más versátil jamás utilizada por la humanidad.

Aisladores topológicos electrónicos:sólidos que no conducen electricidad dentro de su masa, pero al mismo tiempo son perfectamente conductoras a lo largo de su superficie, fueron realizadas experimentalmente por primera vez en 2007 por Laurens Molenkamp y su equipo en la Universidad de Würzburg. Sus homólogos fotónicos han fascinado al profesor Szameit durante mucho tiempo. "Desde nuestra primera implementación de un aislante topológico para la luz, nos hemos esforzado por descubrir cómo se pueden utilizar estos sistemas peculiares, "recuerda el físico.

Mientras que los aislantes topológicos fotónicos pueden guiar la luz a lo largo de trayectorias definidas con precisión, y el marco matemático que sustenta su diseño les otorga un grado de robustez sin precedentes frente a imperfecciones o perturbaciones externas, estas codiciadas propiedades también presentan un formidable obstáculo. "Una vez inyectado en un canal topológico, los pulsos de luz no sufren pérdidas por dispersión, pero este aislamiento también los hace virtualmente imposibles de controlar sin sacarlos de su entorno protector, El coautor Dr. Matthias Heinrich resume el desafío que enfrenta actualmente la comunidad científica.

Por supuesto, en papel, la solución puede parecer obvia. "En principio, es fácil. Todo lo que necesita es un interruptor que puede activar a voluntad para cambiar instantáneamente las propiedades topológicas del sistema entre dos pulsos de luz, "bromea Szameit. Sin embargo, La topología está indisolublemente ligada a la disposición física del circuito de la guía de ondas, mientras que los pulsos de láser ultracortos se miden en femtosegundos (una millonésima de mil millonésima de segundo), muchos órdenes de magnitud más allá del alcance incluso de los moduladores electrónicos más rápidos.

En estrecha colaboración con teóricos de la Universidad de Rostock, el ICFO en Barcelona, la Universidad de Lisboa y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Moscú, el equipo de jóvenes investigadores encontró una manera de dejar que la luz misma decidiera si activar la protección topológica o comportarse como en un medio convencional. "Dependiendo de su intensidad máxima, los pulsos ópticos pueden comportarse de formas fundamentalmente diferentes, "elabora Lukas Maczewsky, Doctor. estudiante y autor principal del trabajo. "La no linealidad es la palabra mágica:en fotónica, a veces dos más dos son realmente más que cuatro ". Después de dos años de intensa investigación e incontables horas en los laboratorios del Instituto de Física de la Universidad de Rostock, estos esfuerzos se hicieron realidad.

El aislante topológico no inducido por linealidad, un material sintético novedoso, permite que los pulsos de luz por encima de un cierto umbral de intensidad establezcan un dominio topológico transitorio en su vecindad inmediata. Szameit, un admirador de "Star Trek" que se declara a sí mismo, pinta una imagen vívida de la compleja física en juego:"Al igual que el U.S.S. Enterprise levanta sus escudos, el capullo protector autogenerado sigue los pulsos de luz y los conserva a lo largo del camino elegido ".

La exitosa colaboración internacional ha avanzado sustancialmente la ciencia fundamental en el campo de la óptica cuántica y, en particular, la investigación de aisladores topológicos fotónicos. Hasta que estas piezas se puedan ensamblar en una computadora cuántica óptica funcional, el santo grial perseguido por grupos de todo el mundo, quedan varios desafíos por resolver. Sin embargo, El descubrimiento más reciente de los físicos es muy prometedor para numerosas aplicaciones innovadoras, como el procesamiento de señales totalmente ópticas con protección topológica y las redes neuronales fotónicas de mejora automática. Dado el rápido ritmo de progreso, estas ideas que hoy pueden parecer ciencia ficción, pronto podría convertirse en realidad.