Los físicos de ETH han desarrollado una oblea de silicio que se comporta como un aislante topológico cuando se estimula mediante ultrasonidos. De este modo, han logrado convertir un concepto teórico abstracto en un producto macroscópico.

El procedimiento habitual es el siguiente:tiene un sistema físico complejo e intenta explicar su comportamiento a través de un modelo lo más simple posible. Sebastián Huber, Profesor adjunto del Instituto de Física Teórica, ha demostrado que este procedimiento también funciona a la inversa:desarrolla sistemas macroscópicos que exhiben exactamente las mismas propiedades predichas por la teoría, pero que aún no se han observado a este nivel.

Logró crear un ejemplo ilustrativo hace dos años y medio. Junto con su equipo, construyó un dispositivo mecánico compuesto por 270 péndulos conectados por resortes de tal manera que la instalación se comporta como un aislante topológico. Esto significa que el péndulo y los resortes están colocados de manera que una excitación vibratoria desde el exterior solo mueva los péndulos en los bordes de la instalación, pero no los del medio (como informó ETH News).

Vibración solo en las esquinas

El nuevo proyecto, que se publicará esta semana en la revista Naturaleza , también se centra en un sistema macroscópico. Esta vez, sin embargo, no creó un gran dispositivo mecánico, pero un objeto de tamaño mucho más manejable. Con su equipo, Huber creó una oblea de silicio de 10 x 10 centímetros que consta de 100 placas pequeñas conectadas entre sí mediante haces delgados. El aspecto clave es que cuando la oblea se estimula mediante ultrasonido, solo vibran las planchas de las esquinas; los otros platos permanecen quietos, a pesar de sus conexiones.

Huber se inspiró para el nuevo material en un trabajo publicado hace aproximadamente un año por grupos de Urbana-Champaign y Princeton; los investigadores presentaron un nuevo enfoque teórico para un aislante topológico de segundo orden. "En un aislante topológico convencional, las vibraciones solo se extienden por la superficie, pero no por dentro, "explica Huber." El fenómeno se reduce en una dimensión ". En el caso de la instalación de péndulo, esto significa que la disposición bidimensional condujo a un patrón de vibración unidimensional a lo largo de los bordes.

En un aislante topológico de segundo orden, sin embargo, el fenómeno se reduce en dos dimensiones. Respectivamente, con una oblea de silicio bidimensional, la vibración ya no se produce a lo largo de los bordes, pero solo en las esquinas, en un punto de dimensión cero. "Somos los primeros en tener éxito en la creación experimental del aislante topológico de orden superior previsto, "dice Huber.

Un nuevo concepto teórico

Huber ha vuelto a crear algo que se comporta exactamente de la forma predicha por la teoría. Para resolver este "problema inverso", utilizó un proceso sistemático que desarrolló junto con el grupo liderado por Chiara Daraio, ahora profesor en Caltech, y que ha publicado esta semana en la revista Materiales de la naturaleza . Hablando en general, Huber muestra cómo una funcionalidad teóricamente predicha se puede convertir en geometría concreta. "En nuestro ejemplo, lo probamos usando vibraciones mecánicas, mediante el acoplamiento de elementos con modos de vibración claramente definidos mediante eslabones débiles, "dice Huber." Pero el proceso también se puede transferir a otras aplicaciones, como a los sistemas ópticos o eléctricos ".

Expansión a la tercera dimensión

Huber ya tiene planes claros sobre cómo proceder:quiere lograr un aislante topológico tridimensional de segundo orden, en el que las vibraciones se pueden transmitir de forma unidimensional. Recientemente recibió una Consolidator Grant del European Research Council (ERC) para este proyecto. Huber explica la idea básica:"Apilamos varias de estas estructuras bidimensionales una encima de la otra, de modo que emerge una forma tridimensional. Ene sta forma, la información o la energía se pueden conducir del punto A al punto B a través de un canal unidimensional ".

Huber puede pensar en algunas aplicaciones posibles. Por ejemplo, Estos nuevos aisladores topológicos podrían usarse para construir guías de ondas robustas y precisas para redes de comunicaciones. También podrían ser de utilidad en el sector energético, por ejemplo para la recolección de energía, en el que la energía de una fuente circundante difusa se concentra para uso tecnológico.

También de interés para los teóricos

Los resultados de Huber no solo serán de interés para ingenieros e investigadores de materiales, pero también físicos teóricos. "El hallazgo clave desde un punto de vista teórico es que ciertos aislantes topológicos de segundo orden no pueden describirse matemáticamente como un dipolo, como lo son los aislantes topológicos convencionales, pero como cuadrupolos, que son mucho más complejas, "explica Huber. El hecho de que hayamos podido implementar esto experimentalmente en una estructura macroscópica por primera vez es, por lo tanto, también un gran avance para los teóricos".