Los aislantes topológicos son estados exóticos de la materia que los físicos han estado estudiando intensamente durante la última década. Su característica más intrigante es que pueden distinguirse rigurosamente de todos los demás materiales mediante un concepto matemático conocido como "topología". Esta propiedad matemática otorga a los aislantes topológicos la capacidad de transportar señales eléctricas sin disipación, a través de estados cuánticos especiales llamados "estados de superficie topológicos".

Sin embargo, los aislantes topológicos no solo necesitan realizarse con electrones. Los físicos también han ideado aislantes topológicos fotónicos, materiales sintéticos que imparten ondas de luz con características topológicas distintas, permitiendo que la luz (en lugar de las corrientes eléctricas) fluya a través de los estados topológicos de la superficie. A diferencia de los aisladores topológicos electrónicos, Los aisladores topológicos fotónicos pueden funcionar fácilmente a temperatura ambiente, entre otras ventajas. Como resultado, Los aislantes topológicos fotónicos podrían tener aplicaciones en futuros dispositivos ópticos, como láseres de alta potencia y diodos ópticos.

Un equipo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU), Singapur, y la Universidad de Zhejiang, Porcelana, ha anunciado el desarrollo del primer aislante topológico fotónico tridimensional (3-D) del mundo. En un artículo que se publicará en una próxima edición de Naturaleza , el equipo informa que un conjunto de resonadores en 3D especialmente diseñado puede actuar como un aislante topológico para microondas. Han observado evidencia inequívoca de los estados de superficie topológicos característicos, en forma de microondas que fluyen sin esfuerzo a lo largo de láminas 2-D incrustadas dentro del volumen 3-D de su muestra.

"Investigadores anteriores pudieron hacer aislantes topológicos fotónicos bidimensionales. Pero a pesar de muchas propuestas teóricas a lo largo de los años, nadie había podido realizar una versión 3-D, "dice el profesor asociado Baile Zhang de NTU, quien co-supervisó el proyecto. Señala que los aislantes topológicos 3-D tienen capacidades importantes, incluida la capacidad de canalizar estados de superficie topológicos a lo largo de todas las direcciones espaciales posibles. En uno de sus experimentos, Los investigadores demostraron que las microondas se pueden guiar de manera eficiente a lo largo de una superficie bidimensional que contiene pliegues en forma de zigzag.

El equipo construyó el aislante topológico fotónico en 3D a partir de una pila de láminas de plástico delgadas incrustadas con antenas de metal que actúan como diminutos resonadores electromagnéticos. El avance clave se produjo cuando se dieron cuenta de cómo adaptar los resonadores para interactuar con las ondas electromagnéticas de una manera muy específica. otorgando a las ondas las características topológicas deseadas.

"Dado que las láminas se fabrican con tecnología bien establecida para la impresión de placas de circuito, este diseño es económico y sencillo de implementar, "explica el profesor Hongsheng Chen de la Universidad de Zhejiang, otro co-supervisor del proyecto. "En comparación, otras propuestas previamente publicadas en la literatura científica involucradas en el uso de materiales cerámicos o magnéticos no estándar, con los que es muy difícil trabajar si quieres hacer un dispositivo real ".

Dr. Yihao Yang, un investigador postdoctoral en NTU que fue el autor principal del artículo, dijo que el equipo pudo construir un caso científico convincente mediante la construcción de mapas detallados de cómo viajan las ondas electromagnéticas dentro del aislante topológico fotónico. "Al insertar con cuidado una sonda de campo electromagnético en la muestra, medimos las distribuciones de campo a lo largo de la muestra. Esto nos permitió reconstruir las 'relaciones de dispersión' que sirven como firmas físicas de los aislantes topológicos, " él dijo.

Profesor asociado Yidong Chong, otro miembro del equipo de NTU, Observó que este trabajo es la primera realización de un aislante topológico sintético 3-D no basado en el flujo de corriente eléctrica. "Este es un ejemplo de la universalidad de la física, ", dijo." Un fenómeno que surge en un entorno, como materiales cuánticos, se puede reproducir en otro entorno, en este caso un medio artificial para ondas electromagnéticas. El ingrediente clave es que obedecen a las mismas ecuaciones y conceptos teóricos ". Sugiere que el aislante topológico fotónico en 3D puede proporcionar un entorno interesante para el estudio de la física fundamental, ya que los estados topológicos de la superficie se rigen por las mismas ecuaciones que los electrones bidimensionales sin masa que obedecen a la teoría de la relatividad de Einstein.

El aislante topológico fotónico 3D actual está limitado a ondas electromagnéticas, a frecuencias relativamente bajas. "Si podemos escalarlo a frecuencias ópticas, es decir ondas de luz visible, podría haber aplicaciones para crear chips de computadora ópticos, láseres y todo tipo de dispositivos ópticos interesantes, "dice el profesor Zhang de NTU.