Se ha demostrado que la luz láser que viaja a través de un vidrio ornamentado microfabricado interactúa consigo misma para formar patrones de ondas autosostenibles llamados solitones. El intrincado diseño fabricado en el vidrio es un tipo de "aislante topológico fotónico, "un dispositivo que potencialmente podría usarse para hacer que las tecnologías fotónicas como los láseres y las imágenes médicas sean más eficientes.

Materiales topológicos, que fueron galardonados con el Premio Nobel en 2016, tienen la capacidad de "proteger" el flujo de ondas a través de ellos contra desórdenes y defectos no deseados. Hasta ahora, nuestra comprensión de la protección topológica de la luz se ha limitado principalmente a partículas de luz que actúan de forma independiente, pero en un nuevo artículo que aparece el 22 de mayo en la revista Ciencias , Los investigadores de Penn State informan que han utilizado el vidrio para mediar la interacción entre fotones, observando directamente los patrones de ondas fundamentales de estos intrincados dispositivos.

"La gente quizás esté más familiarizada con la electrónica, pero hay todo un mundo paralelo de 'fotónica, 'donde nos interesan las propiedades de la luz en lugar de los electrones, "dijo Mikael Rechtsman, Profesor de Física de Desarrollo Profesional Temprano de Downsbrough en Penn State, y autor principal del artículo. "Hay innumerables aplicaciones de la fotónica, incluso en energía solar, fibra óptica para telecomunicaciones, fabricación mediante corte por láser, y lidar, que se usa, por ejemplo, para ayudar a controlar los vehículos autónomos. La protección topológica ofrece la promesa de hacer que los dispositivos fotónicos sean más eficientes energéticamente, encendedor, y más compacto ".

El concepto de protección topológica se puede aplicar en electrónica, fotónico sistemas atómicos y mecánicos. En electrónica, por ejemplo, La protección topológica puede mejorar la eficiencia al hacer que los electrones fluyan de manera confiable a través de un material sin dispersarse. Para los electrones, esta protección requiere temperaturas extremadamente frías, acercándose al cero absoluto, y muy a menudo un fuerte campo magnético externo, pero con fotones, todos los experimentos se pueden realizar a temperatura ambiente, y como los fotones no tienen carga, sin campo magnético.

Para realizar sus experimentos, los investigadores hacen brillar un láser a través de una pieza de vidrio que tiene una serie de túneles extremadamente precisos tallados a través de ella, cada uno con un diámetro de aproximadamente una décima parte del de un cabello humano. Los túneles, llamadas "guías de ondas, "actúan como cables, concentrando el flujo de luz a través de ellos. Las guías de ondas en la pieza de vidrio están dispuestas en una cuadrícula, formando una matriz, pero la trayectoria de cada guía de ondas a través del vidrio no es recta; tal vez se describa mejor como serpentina, con giros y vueltas diseñados por los investigadores con una geometría que conduce a la protección topológica de la luz.

"Tuvimos que construir la instalación de fabricación en nuestro laboratorio para tallar con precisión las guías de ondas tridimensionales a través del vidrio, un proceso llamado escritura láser de femtosegundos, "dijo Sebabrata Mukherjee, investigador postdoctoral en Penn State y primer autor del artículo. "La capacidad de escribir guías de ondas tridimensionales es fundamental para que el dispositivo sea topológico, una propiedad que se confirma experimentalmente al observar el flujo de luz unidireccional 'protegido' a lo largo del borde del dispositivo ".

Mediante un proceso llamado "efecto Kerr, "las propiedades del vidrio cambian debido a la presencia de la intensa luz láser. Este cambio en el vidrio media una interacción entre los muchos fotones, que no suelen interactuar, propagándose a través de la matriz. A medida que aumentaba el poder, la luz colapsó en un rayo que no se extendió (es decir, difractar), sino más bien girado en espirales. La rotación en espiral de los solitones es una firma de la forma específica de las guías de ondas diseñadas por los investigadores y un indicador de que el dispositivo es, Por supuesto, topológico.

"Bajo circunstancias normales, los fotones son ajenos unos a otros, "Dijo Rechtsman." Puedes cruzar dos rayos láser y ninguno será cambiado por el otro. En nuestro sistema, pudimos hacer que los fotones interactuaran y formaran solitones porque la intensidad del láser alteró las propiedades del vidrio. Los fotones se volvieron 'conscientes' unos de otros a través del cambio en su entorno ".

Se sabe que los solitones son las formas de onda más fundamentales en muchos sistemas donde la interacción está mediada por el entorno circundante.

"La comprensión teórica y el sondeo experimental de solitones en sistemas topológicos como nuestras matrices de guías de ondas será un ingrediente clave en la aplicación de protección topológica para uso práctico en dispositivos fotónicos, especialmente aquellos que requieren alta potencia óptica, "dijo Rechtsman.