En la última decada, un nuevo tipo de material ha atraído una creciente atracción:el llamado aislante topológico. Esta clase de materiales exhibe una propiedad muy peculiar:se comportan como aislantes en el interior, pero contienen estados conductores en sus fronteras. Como estos estados están protegidos "topológicamente" (ver más abajo), los estados son muy robustos contra las imperfecciones, y las corrientes eléctricas pueden fluir casi sin disipación. Esto hace que estos materiales sean extremadamente interesantes para la tarea de la comunicación cuántica y la computación cuántica. por ejemplo.

Ahora el Dr. Tao Shi (actualmente Academia China de Ciencias, Beijing) y el profesor Ignacio Cirac del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Garching, junto con el profesor Jeff Kimble del Instituto de Tecnología de California (Pasadena, ESTADOS UNIDOS), han desarrollado un esquema detallado para una configuración experimental para realizar un aislante topológico bidimensional con redes ópticas clásicas ( procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , AOP 10 de octubre de 2017). "En esta red, los modos de fotones desempeñan el papel de los estados electrónicos en una capa de estado sólido, "explica el Dr. Tao Shi." Al preparar modos de fotones quirales en el límite, es posible que podamos construir una guía de ondas electromagnética unidireccional, en el que la luz solo puede propagarse en una dirección, mientras que la dirección opuesta está prohibida ".

Los cristales en estado sólido se caracterizan por su estructura de bandas. En caso de un aislante, la llamada banda de valencia, en el que todos los estados electrónicos están ocupados, está separada de la banda de conducción por una gran zona prohibida. Esta, sin embargo, solo es válido para muestras infinitas. En caso de un cristal o capa confinada, los estados electrónicos en la superficie o en el borde, respectivamente, difieren de los del interior, ya veces emergen en medio de la zona prohibida. Como la forma de la estructura de la banda se describe matemáticamente mediante un cierto número topológico, estos sistemas se denominan abreviadamente "aislantes topológicos".

La quiralidad de los estados de los bordes está bloqueada por el espín del electrón, y, en consecuencia, está protegido por una simetría de inversión de tiempo:una inversión de dirección implicaría un cambio de dirección de giro. Para una determinada clase de materiales con un número topológico "no trivial", esto no está permitido. Por lo tanto, los estados están protegidos y robustos contra imperfecciones o deformaciones, siempre que las perturbaciones sean pequeñas. En una cierta clase de aisladores topológicos bidimensionales electrónicos también se puede observar el llamado efecto Hall de espín cuántico (QSH). Intuitivamente, este efecto describe el fenómeno de que los electrones con diferentes espines están sujetos a campos magnéticos opuestos.

A diferencia de los esquemas anteriores, los científicos proponen una configuración hecha de elementos ópticos pasivos como fibras, divisores de haz, y placas onduladas, por lo que las pérdidas del sistema se reducen en gran medida. Al construir los nodos de la red con una cavidad "mala", es decir, una cavidad con alta amortiguación, son capaces de mejorar dramáticamente la banda prohibida topológica a la escala del rango espectral libre. Como consecuencia, los modos de borde sobreviven en el dominio de frecuencia más grande con una vida útil mucho más larga. Es más, la interacción entre la topología y la no linealidad de Kerr induce la generación de modos de borde comprimido.

"El análogo óptico de un aislante topológico allana el camino hacia la construcción de la guía de ondas unidireccional, "El Dr. Shi señala." Aparte de eso, nuestro objetivo final es realizar el efecto Hall cuántico fraccional (FQHE) en este sistema fotónico. Para tal fin, tenemos que inducir fuertes interacciones fotón-fotón por medio de átomos. También nos gustaría ver algunas fases topológicas exóticas en el sistema fotónico, que pueden ser muy diferentes de los observados en los sistemas convencionales de materia condensada ".