Investigadores del Joint Quantum Institute (JQI) han creado el primer chip de silicio que puede restringir la luz de manera confiable a sus cuatro esquinas. El efecto, que surge de la interferencia de vías ópticas, no se ve alterado por pequeños defectos durante la fabricación y eventualmente podría permitir la creación de fuentes robustas de luz cuántica.

Esa robustez se debe a la física topológica, que describe las propiedades de los materiales que son insensibles a pequeños cambios en la geometría. El arrinconamiento de la luz que se informó el 17 de junio en Fotónica de la naturaleza , es una realización de un nuevo efecto topológico, predicho por primera vez en 2017.

En particular, el nuevo trabajo es una demostración de la física topológica cuadripolar. Un cuadrupolo es una disposición de cuatro polos:sumideros y fuentes de campos de fuerza, como cargas eléctricas o los polos de un imán. Puede visualizar un cuadrupolo eléctrico imaginando cargas en cada esquina de un cuadrado que alternan positivo-negativo-positivo-negativo a medida que avanza por el perímetro.

El hecho de que las curvas surgen de la física de los cuadripolos en lugar de la física de los dipolos, es decir, arreglos de sólo dos polos, significa que es un efecto topológico de orden superior.

Aunque el efecto de curva se ha observado anteriormente en sistemas acústicos y de microondas, el nuevo trabajo es la primera vez que se observa en un sistema óptico, dice Mohammad Hafezi, miembro de JQI, el autor principal del artículo. "Hemos estado desarrollando sistemas fotónicos de silicio integrados para realizar ideas derivadas de la topología en un sistema físico, "Dice Hafezi." El hecho de que usemos componentes compatibles con la tecnología actual significa que, si estos sistemas son robustos, posiblemente podrían traducirse en aplicaciones inmediatas ".

En el nuevo trabajo La luz láser se inyecta en una rejilla de resonadores:bucles acanalados en el silicio que confinan la luz a los anillos. Colocando los resonadores a distancias cuidadosamente medidas, es posible ajustar la interacción entre resonadores vecinos y alterar el camino que toma la luz a través de la rejilla.

El efecto acumulativo es que la luz en el medio del chip interfiere consigo misma, haciendo que la mayor parte de la luz inyectada en el chip pase su tiempo en las cuatro esquinas.

La luz no tiene carga eléctrica, pero la presencia o ausencia de luz en un resonador dado proporciona una especie de comportamiento polar. De este modo, el patrón de resonadores en el chip corresponde a una colección de cuadrupolos que interactúan, precisamente las condiciones requeridas por la primera predicción de estados topológicos de la materia de orden superior.

Para probar su patrón fabricado, Hafezi y sus colegas inyectaron luz en cada esquina del chip y luego capturaron una imagen del chip con un microscopio. En la luz recogida, vieron cuatro picos brillantes, uno en cada esquina del chip.

Para mostrar que la luz acorralada estaba atrapada por la topología, y no simplemente como resultado de dónde inyectaron los láseres, probaron un chip con las dos filas inferiores de resonadores desplazadas. Esto cambió sus interacciones con los resonadores de arriba, y, al menos teóricamente, cambiado donde deberían aparecer los puntos brillantes. Volvieron a inyectar la luz en las esquinas, y esta vez, tal como lo predijo la teoría, los dos puntos brillantes inferiores aparecieron por encima de las filas de resonadores desplazados y no en las esquinas físicas.

A pesar de la protección que ofrece la topología contra pequeños cambios en la ubicación del resonador, un segundo, En estos chips quedan defectos de fabricación más destructivos. Dado que cada resonador no es exactamente el mismo, los cuatro puntos de luz en las esquinas brillan todos con frecuencias ligeramente diferentes. Esto significa que, por el momento, el chip puede no ser mejor que un solo resonador si se usa como fuente de fotones, las partículas cuánticas de luz que muchos esperan aprovechar como portadores de información cuántica en dispositivos y redes futuros.

"Si tiene muchas fuentes que se ven obligadas por la topología a escupir fotones idénticos, entonces podrías interferir con ellos, y eso cambiaría las reglas del juego, "dice Sunil Mittal, el autor principal del artículo e investigador postdoctoral en JQI. "Espero que este trabajo realmente entusiasme a los teóricos a pensar en buscar modelos que sean insensibles a este persistente trastorno en las frecuencias de resonancia".