Dispositivos fotónicos más económicos y eficientes, como los láseres, fibras ópticas, y otras fuentes de luz pueden ser posibles con luz confinada que no se ve afectada por imperfecciones en el material que la confina, según una nueva investigación. Un equipo de físicos de Penn State, la Universidad de Pittsburgh, y la Universidad de Illinois han demostrado en un experimento de prueba de concepto que pueden contener luz de tal manera que la hace altamente insensible a los defectos que pudieran estar presentes en un material. Los resultados de la investigación aparecen en línea el 4 de junio de 2018 en la revista Fotónica de la naturaleza .

"La tecnología fotónica implica la generación, transmisión, y manipulación de la luz y se utiliza de forma ubicua en todas las industrias, "dijo Mikael Rechtsman, el Profesor Asistente de Física Downsbrough Early Career en Penn State y el líder del equipo de investigación. "Es la base de la red de fibra óptica que forma el esqueleto de Internet, células solares utilizadas en la generación de energía sostenible, y láseres de alta potencia utilizados en la fabricación, entre muchas otras aplicaciones. Encontrar una forma de confinar y manipular la luz para que sea insensible a los defectos podría tener un gran impacto en esta tecnología ".

Para confinar la luz los investigadores utilizaron una estructura de celosía compleja compuesta de "guías de ondas" talladas con precisión en vidrio. Estas guías de ondas actúan como cables, pero por luz en lugar de electricidad. En esta estructura, la luz entra por un extremo de la guía de ondas y queda atrapada y confinada a medida que se propaga hacia adelante a través de los cables. Allí, la luz atrapada se vuelve inmune a las imperfecciones en las posiciones de las guías de ondas, y así se pueden tolerar imperfecciones significativas en la estructura.

"La luz se vuelve insensible debido al fenómeno de 'protección topológica', ", dijo Rechtsman." Este concepto se ha utilizado ampliamente en el contexto de la física electrónica de estado sólido. La estructura de la guía de ondas es un análogo fotónico de los llamados 'aislantes cristalinos topológicos, 'y esta forma de protección topológica se puede utilizar potencialmente en una variedad de dispositivos fotónicos, incluso en láseres a nanoescala, fibras ópticas no lineales especializadas, y para un acoplamiento robusto y preciso entre fotones y electrones para manipular información cuántica ".

Confinar la luz de esta manera podría hacer que muchos dispositivos fotónicos al mismo tiempo sean más baratos de producir y más eficientes. Más allá de eso, este es un ejemplo del uso potencialmente interdisciplinario (uniendo fotónica y electrónica de estado sólido) de la protección topológica y demuestra la amplia aplicabilidad de este fenómeno más allá de su concepción en la física electrónica de estado sólido.

"En fotónica, es extremadamente importante poder atrapar la luz y confinarla a espacios muy pequeños, ", dijo Rechtsman." Comprime la cantidad máxima de potencia óptica en el área o volumen más pequeño dentro de un material, haciéndolo interactuar más fuertemente con el material, y por lo tanto es más eficiente en lo que sea que esté destinado a hacer. Una dificultad importante para hacer esto ha sido que el confinamiento fuerte trae consigo una sensibilidad extrema a cualquier imperfección en el material, lo que a menudo puede inhibir la eficiencia o hacer que el dispositivo sea muy costoso de fabricar. Nuestros resultados sugieren que podemos superar esta dificultad ".