Los investigadores holandeses de AMOLF y TU Delft han visto la luz propagarse en un material especial sin reflejos. El material, un cristal fotónico, consta de dos partes, cada una de las cuales tiene un patrón de perforaciones ligeramente diferente. La luz puede propagarse a lo largo del límite entre estas dos partes de una manera especial:está "protegida topológicamente, "y, por lo tanto, no recupera las imperfecciones. Incluso cuando el límite forma una esquina la luz lo sigue sin problema.

"Por primera vez, hemos visto estas fascinantes ondas de luz moverse a la escala tecnológicamente relevante de la nanofotónica, "dice Ewold Verhagen, líder de grupo en AMOLF. Los resultados se publicarán en la edición del 6 de marzo de Avances de la ciencia .

Aisladores topológicos:electrónica especial

Verhagen y su colaborador Kobus Kuipers de TU Delft se inspiraron en materiales electrónicos, donde los llamados aislantes topológicos forman una nueva clase de materiales con un comportamiento notable. Donde la mayoría de los materiales son conductores de electrones o no (lo que los convierte en un aislante), Los aislantes topológicos exhiben una extraña forma de conducción. "El interior de un aislante topológico no permite la propagación de electrones, pero a lo largo del borde, los electrones pueden moverse libremente, "dice Verhagen." Es importante destacar que la conducción está "protegida topológicamente"; los electrones no se ven afectados por el desorden o las imperfecciones que normalmente los reflejarían. Entonces la conducción es profundamente robusta ".

Traducción a fotónica

En la última decada, Los científicos también han tratado de encontrar este comportamiento para la conducción de la luz. "Realmente queríamos lograr la protección topológica de la propagación de la luz a nanoescala y así abrir la puerta a la luz de guía en los chips ópticos sin que se vea obstaculizada por la dispersión en imperfecciones y esquinas afiladas". "dice Verhagen.

Por sus experimentos, los investigadores utilizaron cristales fotónicos bidimensionales con dos patrones de agujeros ligeramente diferentes. El "borde" que permite la conducción de la luz es la interfaz entre los dos patrones de orificios. "La conducción de luz en el borde es posible porque la descripción matemática de la luz en estos cristales fotónicos se puede describir mediante formas específicas, o más exactamente por topología, ", Dice Kuipers. La topología de los dos patrones de orificios diferentes es diferente y precisamente esta propiedad permite la conducción de la luz en el límite, similar a los electrones en los aislantes topológicos. Debido a que la topología de ambos patrones de orificios está bloqueada, la conducción de la luz no se puede revocar; está 'protegido topológicamente' ".

Imagen de luz topológica

Los investigadores lograron obtener imágenes de la propagación de la luz con un microscopio y vieron que se comportaba como se predijo. Es más, fueron testigos de la topología, o descripción matemática, en la luz observada. Kuipers dice:"Para estas ondas de luz, la polarización de la luz gira en una determinada dirección, análogo al espín de los electrones en los aislantes topológicos. La dirección de giro de la luz determina la dirección en la que se propaga esta luz. Debido a que la polarización no puede cambiar fácilmente, la onda de luz puede incluso fluir alrededor de esquinas afiladas sin reflejarse ni dispersarse, como sucedería en una guía de ondas regular.

Relevancia tecnológica

Los investigadores son los primeros en observar directamente la propagación de la luz protegida topológicamente en la escala tecnológicamente relevante de los chips nanofotónicos. Mediante el uso deliberado de chips de silicio y luz de una longitud de onda similar a la utilizada en telecomunicaciones, Verhagen espera aumentar las posibilidades de aplicación.

"Ahora vamos a investigar si existen límites prácticos o fundamentales para la protección topológica y qué funcionalidades en un chip óptico podríamos mejorar con estos principios. Lo primero que estamos pensando es hacer las fuentes de luz integradas en un chip fotónico más confiable. Esto es importante en vista del procesamiento de datos energéticamente eficiente o 'TIC ecológicas' ".

También, la protección topológica de la luz puede ser útil para transferir pequeños paquetes de información cuántica de manera eficiente.