Los dispositivos ópticos crean, guía, y detectar ondas electromagnéticas e incluir láseres, telescopios, y celdas solares. La mayoría de los materiales utilizados en estos dispositivos son un desafío para ciertas aplicaciones debido a un fenómeno conocido como reciprocidad óptica, una simetría inherente que obliga a la luz a viajar bidireccionalmente. Un ejemplo de un desafío basado en aplicaciones es un láser de alta potencia, donde la luz de contraflujo causada por la reciprocidad óptica puede dañar el instrumento.

Un nuevo estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza describe cómo se puede romper la reciprocidad óptica utilizando conocimientos de la física topológica. Estados topológicos inducidos, infundir el material con nuevas propiedades, puede ayudar a crear sistemas "unidireccionales" para que la luz viaje, haciendo posible crear dispositivos ópticos más eficientes en el futuro. La investigación fue dirigida por el profesor asistente Bo Zhen y el postdoctorado Li He en colaboración con el profesor Eugene Mele y los estudiantes graduados Zachariah Addison y Jicheng Jin. así como el profesor Steven Johnson del MIT.

Si bien hay algunos materiales que existen de forma natural que pueden romper la reciprocidad óptica, este efecto magneto-óptico es a menudo muy débil, y los materiales solo se pueden utilizar en sistemas estáticos. Estas limitaciones significan que los materiales son demasiado voluminosos para usarlos en pequeños chips optoelectrónicos. "Es una barrera técnica que existe, "dice Zhen." Además de este efecto magnetoóptico, preguntamos qué otras posibilidades científicas pueden implementar efectos similares ".

Zhen y él estudiaron LiNbO ₃ , un material óptico que se puede convertir en películas delgadas y se podría utilizar como revestimiento en chips optoelectrónicos y pequeños dispositivos. Como una clase de material óptico al que los físicos se refieren como no lineal, LiNbO ₃ puede romper la reciprocidad óptica cuando se coloca en un entorno dinámico, como ser sacudido en lugar de quedarse quieto, o un sistema estático.

Los materiales ópticos no lineales son bastante comunes; la mayoría de los punteros láser para el aula tienen cristales ópticos no lineales que convierten la luz infrarroja invisible en luz verde visible. El obstáculo al que se enfrentan los investigadores es que se sabe muy poco sobre las fases topológicas en materiales ópticos no lineales, especialmente cuando se encuentran en entornos dinámicos.

Con la experiencia de los investigadores en fotónica topológica y en el estudio de materiales con aplicaciones optoelectrónicas, desarrollaron una teoría física para explicar lo que sucede en materiales ópticos no lineales. Para confirmar la teoría, Realizó experimentos simulados en cristales fotónicos de LiNbO3 y descubrió que se podían inducir fases topológicas si el material estaba en un sistema dinámico.

Más importante, los investigadores dicen, estas fases topológicas parecen no tener contrapartes directas en los sistemas electrónicos, lo que podría dar lugar a características únicas en aplicaciones futuras. "Por ejemplo, potencialmente también podríamos lograr un amplificador o atenuador unidireccional, " Dice el.

Zhen dice que un aspecto sutil de sus hallazgos es que brindan una mejor comprensión de la conservación de energía en sistemas dinámicos, que es menos sencillo que los sistemas estáticos. Por ejemplo, cuando los fotones de luz atraviesan un sistema dinámico, el número de fotones permanece igual, pero la cantidad total de energía puede cambiar a medida que los fotones recogen o liberan energía. Tener una mejor comprensión de lo que se conserva y lo que no se conserva en los sistemas dinámicos fue uno de los aspectos más destacados de esta investigación para Zhen y su equipo.

Como uno de los primeros artículos en proporcionar una base para el estudio futuro de los estados topológicos en materiales ópticos no lineales, este trabajo puede proporcionar una guía para el trabajo teórico futuro al tiempo que proporciona un punto de partida para los próximos experimentos.

"Es realmente el comienzo de un campo muy emocionante, ", dice Zhen." Establecimos el marco teórico subyacente y demostramos que incluso si el sistema estático es trivial, si lo agitamos de la manera correcta, se convierte en algo muy interesante ".