Efectos topológicos, como los que se encuentran en los cristales cuyas superficies conducen la electricidad mientras que su masa no lo hace, han sido un tema apasionante de la investigación en física en los últimos años y fueron objeto del Premio Nobel de Física 2016. Ahora, un equipo de investigadores en el MIT y en otros lugares ha encontrado nuevos fenómenos topológicos en una clase diferente de sistemas:sistemas abiertos, donde la energía o el material pueden entrar o ser emitidos, a diferencia de los sistemas cerrados sin tal intercambio con el exterior.

Esto podría abrir nuevos campos de investigación en física básica, el equipo dice, y, en última instancia, podría conducir a nuevos tipos de láseres y otras tecnologías.

Los resultados se informan esta semana en la revista. Ciencias , en un artículo del recién graduado del MIT Hengyun "Harry" Zhou, El académico visitante del MIT, Chao Peng (profesor de la Universidad de Pekín), El estudiante graduado del MIT Yoseob Yoon, los recientes graduados del MIT Bo Zhen y Chia Wei Hsu, Profesor del MIT Marin Soljačić, el profesor de física Francis Wright Davis, John Joannopoulos, el profesor de química Haslam and Dewey Keith Nelson, y el profesor asistente de desarrollo profesional Lawrence C. y Sarah W. Biedenharn, Liang Fu.

En la mayoría de las investigaciones en el campo de los efectos físicos topológicos, Soljačić dice:los llamados sistemas "abiertos", en términos físicos, estos se conocen como sistemas no hermitianos; no se estudiaron mucho en el trabajo experimental. Las complejidades involucradas en medir o analizar fenómenos en los que se puede agregar o perder energía o materia a través de la radiación generalmente hacen que estos sistemas sean más difíciles de estudiar y analizar de manera controlada.

Pero en este trabajo el equipo utilizó un método que hizo que estos sistemas abiertos fueran accesibles, y "encontramos propiedades topológicas interesantes en estos sistemas no hermitianos, "Dice Zhou. En particular, encontraron dos tipos específicos de efectos que son firmas topológicas distintivas de sistemas no hermitianos. Uno de estos es un tipo de característica de banda a la que se refieren como un arco de Fermi a granel, y el otro es un tipo inusual de polarización cambiante, u orientación de ondas de luz, emitida por el cristal fotónico utilizado para el estudio.

Los cristales fotónicos son materiales en los que se hacen miles de millones de pequeños orificios orientados y de forma muy precisa, provocando que la luz interactúe de formas inusuales con el material. Estos cristales se han estudiado activamente por las interacciones exóticas que inducen entre la luz y la materia, que tienen el potencial para nuevos tipos de sistemas informáticos basados ​​en la luz o dispositivos emisores de luz. Pero si bien gran parte de esta investigación se ha realizado con sistemas cerrados, Sistemas hermitianos, la mayoría de las posibles aplicaciones del mundo real involucran sistemas abiertos, por lo que las nuevas observaciones realizadas por este equipo podrían abrir áreas de investigación completamente nuevas, dicen los investigadores.

Arcos de Fermi, uno de los fenómenos únicos que encontró el equipo, desafían la intuición común de que los contornos de energía son necesariamente curvas cerradas. Se han observado antes en sistemas cerrados, pero en esos sistemas siempre se forman en las superficies bidimensionales de un sistema tridimensional. En el nuevo trabajo por primera vez, los investigadores encontraron un arco de Fermi que reside en la mayor parte de un sistema. Este arco de Fermi a granel conecta dos puntos en las direcciones de emisión, que se conocen como puntos excepcionales, otra característica de los sistemas topológicos abiertos.

El otro fenómeno que observaron consiste en un campo de luz en el que la polarización cambia según la dirección de emisión, formando gradualmente un medio giro a medida que uno sigue la dirección a lo largo de un bucle y regresa al punto de partida. "A medida que recorre este cristal, la polarización de la luz realmente cambia, "Dice Zhou.

Este medio giro es análogo a una tira de Möbius, el explica, en el que una tira de papel se tuerce media vuelta antes de conectarla a su otro extremo, creando una banda que tiene un solo lado. Este giro similar al de Moebius en la polarización de la luz, Zhen dice:En teoría, podría conducir a nuevas formas de aumentar la cantidad de datos que podrían enviarse a través de enlaces de fibra óptica.

El nuevo trabajo es "principalmente de interés científico, más que tecnológico, ", Dice Soljačić. Zhen añade que" ahora tenemos esta técnica muy interesante para probar las propiedades de los sistemas no hermitianos ". Pero también existe la posibilidad de que el trabajo finalmente conduzca a nuevos dispositivos, incluidos nuevos tipos de láseres o dispositivos emisores de luz, ellos dicen.

Los nuevos hallazgos fueron posibles gracias a investigaciones anteriores de muchos de los mismos miembros del equipo, en el que encontraron una forma de utilizar la luz dispersa de un cristal fotónico para producir imágenes directas que revelan los contornos de energía del material, en lugar de tener que calcular esos contornos indirectamente.

"Tuvimos el presentimiento" de que ese comportamiento de medio giro era posible y podría ser "bastante interesante, "Soljačić dice, pero encontrarlo requirió "bastante búsqueda para averiguarlo, ¿Cómo hacemos que suceda?"

"Quizás el aspecto más ingenioso de este trabajo es que los autores utilizan el hecho de que su sistema necesariamente debe perder fotones, que suele ser un obstáculo y una molestia, acceder a nueva física topológica, "dice Mikael Rechtsman, un profesor asistente de física en la Universidad Estatal de Pensilvania que no participó en este trabajo. "Sin la pérdida ... esto habría requerido métodos de fabricación tridimensionales muy complejos que probablemente no hubieran sido posibles". En otras palabras, él dice, la técnica que desarrollaron "les dio acceso a la física 2-D que convencionalmente se hubiera considerado imposible".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.