El campo de la topología o el estudio de cómo se comportan las superficies en diferentes dimensiones ha influido profundamente en la comprensión actual de la materia. El mejor ejemplo es el aislante topológico, que conduce electricidad solo en la superficie mientras que es completamente aislante dentro del bulto. Los aisladores topológicos se comportan como un metal, es decir., plata en la superficie, pero por dentro se comportaría como vidrio. Estas propiedades se definen utilizando la conductividad o el flujo de electrones que representan si existe una carretera o un obstáculo para su movimiento. Uno de los principales impulsores de las aplicaciones futuras de los aislantes topológicos se encuentra en el campo de los dispositivos electrónicos de espín, ya que estos electrones giran al unísono. todos alineados entre sí mientras fluyen en la superficie.

Ahora, investigadores de ingeniería eléctrica e informática han propuesto por primera vez que esta misma conductividad electrónica influye en las propiedades topológicas de la luz dentro de la materia atómica.

"Demostramos que puede existir una nueva fase topológica de la materia en la que la luz fluye solo en el borde del material atómico pero no en su interior. Puede que existan algunos materiales muy especiales con esta propiedad fotónica única, y eso es lo que llamamos la fase giroeléctrica cuántica de la materia, "dijo Zubin Jacob, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Purdue.

Otra propiedad clave que define esta fase de la materia es una excitación topológica conocida como "skyrmion fotónico". En imanes convencionales, Los espines de electrones se pueden considerar como flechas diminutas que se alinean o anti-alinean entre sí. En marcado contraste, Los skyrmions son excitaciones de giro que muestran un comportamiento de giro único de los giros (ver imagen). Son extremadamente estables a los estímulos y se pueden explotar para interruptores espintrónicos y recuerdos. La fase giroeléctrica cuántica alberga skyrmions en el espacio de energía-momento de las ondas fotónicas y puede usarse como una firma humeante de esta fase de la materia.

Dicho material podría sintetizarse mediante "dopaje, "o alterando la estructura atómica, de materiales existentes. Un buen lugar para buscar esta fase es en materiales bidimensionales como el grafeno.

Jacob y el estudiante de doctorado Todd Van Mechelen son autores de una serie de cuatro artículos publicados en revistas de investigación que exponen la teoría de esta fase de la materia.

La investigación fue financiada por el Programa de Interacciones Luz-Materia Naciente de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa y la Fundación Nacional de Ciencias.

La investigación futura explorará el dopaje de materiales 2-D para lograr la fase giroeléctrica cuántica e investigará cómo viajan las ondas de luz en el borde de un material.