Un equipo científico internacional ha desarrollado un nuevo método para sondear estructuras topológicas y sus transiciones de fase topológica. El método se basa en examinar el espectro de reflexión de las ondas electromagnéticas que se reflejan en un objeto desde diferentes ángulos de impacto. La precisión de los resultados del método se ha verificado experimentalmente en espectros de infrarrojos y microondas. Los resultados fueron publicados en Comunicaciones de la naturaleza .

La topología es el estudio de las propiedades de los objetos que permanecen sin cambios durante la deformación. Desde un punto de vista topológico, una rosquilla y una taza son iguales ya que ambas tienen un agujero en el centro. Los invariantes topológicos se encuentran en el núcleo de muchas propiedades observables importantes de la materia. Se incorporan en la creación de nuevos, materiales inusuales, que se utilizan, por ejemplo, para controlar la propagación de la luz en sistemas ópticos.

Para detectar estructuras topológicamente no triviales, los científicos suelen escanear la propagación del campo cercano de un objeto. En otras palabras, controlan las emisiones de un objeto a una distancia mucho menor que una longitud de onda. El mapa de campo cercano resultante les permite sacar conclusiones sobre la topología de las bandas fotónicas del objeto. Por ejemplo, es posible determinar si el objeto contiene algún estado de borde topológico, y en qué medida están protegidos de la dispersión en áreas con defectos o falta de uniformidad.

Los científicos de la Universidad ITMO junto con sus colegas de la Universidad de la Ciudad de Nueva York han propuesto un nuevo método de análisis topológico basado en la espectroscopia del campo lejano de un objeto. "Planteamos la pregunta:¿Las propiedades topológicas de un sistema afectan la forma en que dispersa la luz a largas distancias?" dice Maxim Gorlach, becario de investigación en el Laboratorio de Metamateriales de ITMO. "Para responder, Nuestros colegas, dirigido por Alexander Khanikaev, desarrolló y fabricó dos estructuras bidimensionales utilizando cilindros de silicio de parámetros geométricos ligeramente diferentes. Uno era trivial y el otro topológico ".

Hacer tales estructuras no es fácil, dicen los científicos. Para eso, necesitan utilizar los últimos métodos de nanofabricación. Habiendo analizado los espectros de las muestras resultantes, desarrollaron un modelo teórico que describe los resultados del análisis. Les permitió determinar el invariante topológico de la estructura. Este modelo más tarde se convirtió en la base del método de espectroscopía de campo lejano.

"En algún momento, nuestros revisores expresaron interés en saber si podemos confirmar que los resultados que obtuvimos a través del análisis de campo lejano están en línea con la técnica estándar de análisis de campo cercano. Para hacer eso, realizamos un experimento de microondas. Creamos una metasuperficie de dos partes:una topológicamente trivial y otra no trivial. Nuestro objetivo era observar el estado topológico localizado en el borde de estas dos partes. En el final, logramos producir una metasuperficie totalmente dieléctrica que contiene estados topológicamente protegidos en la banda de microondas. Al mismo tiempo, la polarización del estado de borde resultó estar inequívocamente relacionada con la dirección de su propagación. El experimento confirmó la precisión de nuestro modelo, y el artículo fue aceptado, "añade Dmitry Zhirihin, Doctor. estudiante de la Facultad de Física e Ingeniería de la Universidad ITMO.

La ventaja del nuevo método es que permite a los investigadores estudiar la topología de los objetos a distancia. "Ya no necesitamos examinar el campo de propagación directamente en la superficie de la estructura. Ahora podemos detectar estados topológicos inusuales en materiales desde lejos. Además, a medida que desarrollamos el método, Demostramos que si bien la pérdida de energía puede ocurrir en estructuras topológicas, los estados de borde topológicos aún persisten, ", señala Maxim Gorlach." Ahora estamos planeando utilizar el nuevo método para estudiar aisladores topológicos tridimensionales y esperamos algunos resultados nuevos y emocionantes ".

Anteriormente, Los estados topológicos solo se sugirieron para su uso en la transmisión segura de señales. Pero ahora, explicar a los científicos, la gama de aplicaciones es cada vez más amplia. "Se sabe que los métodos de nanofabricación tienen una precisión limitada debido a varias razones tecnológicas, y se garantiza que las nanoestructuras fotónicas contienen defectos. Esto conduce a la pérdida de eficiencia y precisión de los dispositivos producidos con estos métodos. Por ejemplo, cualquier biosensor fabricado con métodos de nanofabricación estará limitado en la precisión de sus mediciones, todo debido a los defectos. Usando estados topológicos en la construcción de estos detectores, podemos aumentar su sensibilidad y precisión, incluso a pesar de la presencia de defectos estructurales, "dice el líder del proyecto, Alexander Khanikaev.