Los aislantes topológicos han sido un apasionante campo de investigación con un interés fundamental, así como aplicaciones prácticas como el transporte robusto de electrones y luz, y computación cuántica topológica. El sello distintivo de estos aislantes topológicos convencionales es la presencia de modos de límite conductores que tienen una dimensión más baja que el sistema de aislamiento a granel que los aloja, por ejemplo, un modo de borde unidimensional en el límite de un sistema bidimensional, o un estado de superficie bidimensional en el límite de un sistema tridimensional. En 2017, Los científicos generalizaron este concepto para predecir una nueva fase de la materia llamada aisladores topológicos de orden superior (HOTI), que admiten 'modos de esquina', p. ej. un modo de dimensión cero en un sistema bidimensional. Desde entonces, ha habido varias demostraciones experimentales de esta nueva fase HOTI, la mayoría de las cuales involucran geometrías complicadas. Es más, estos sistemas anteriores son fijos, es decir. uno no puede cambiar o ajustar dinámicamente su comportamiento topológico de orden superior una vez que se fabrican.

En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Shanhui Fan de la Universidad de Stanford, ESTADOS UNIDOS, y colaboradores han propuesto una forma de realizar esta topología de orden superior y estados de esquina utilizando un concepto emergente llamado 'dimensiones sintéticas, 'en estructuras más simples y de una manera dinámicamente sintonizable. Generalmente, Se supone que partículas como fotones y electrones se mueven a lo largo de las tres direcciones:x, yyz, o longitud, ancho y profundidad. ¿Qué pasaría si uno pudiera imaginar el movimiento de los fotones más allá de estas tres direcciones "reales"? El equipo llama a estas direcciones adicionales de movimiento "dimensiones sintéticas".

Para dar este salto conceptual de las tres dimensiones reales a las sintéticas, aprovecharon las propiedades internas inherentes a todos los fotones:la frecuencia o el color de la luz, que determina cuánta energía transporta un fotón. Trabajos previos del equipo de Stanford y otros grupos han demostrado fases topológicas convencionales (de primer orden) utilizando este concepto de dimensiones sintéticas, incluyendo fenómenos físicos intrigantes como el efecto Hall cuántico. Sin embargo, La topología de orden superior había permanecido fuera del alcance de las dimensiones sintéticas hasta ahora, aunque la naturaleza de alta dimensión de los HOTI se adapta muy bien a la idea de las dimensiones sintéticas.

Para construir el aislante topológico de orden superior, los investigadores proponen utilizar un conjunto de resonadores en anillo que se acoplan entre sí en una disposición específica. Cada resonador de anillo es esencialmente un alambre delgado de un material transparente enrollado sobre sí mismo, de modo que un fotón pueda dar la vuelta al bucle muchas veces. Un par de dos resonadores de anillo idénticos juntos forman una 'molécula fotónica, 'al igual que dos átomos de hidrógeno forman una molécula diatómica. Al disponer varias moléculas fotónicas de este tipo a lo largo de una línea, se puede formar un aislante topológico de segundo orden para fotones. Al igual que en las dimensiones reales, uno puede controlar si un fotón se mueve hacia la derecha o hacia la izquierda (digamos en la dirección x), el resonador de anillo puede controlar en dimensiones sintéticas si un fotón se mueve hacia arriba o hacia abajo en frecuencia. Dicho movimiento en frecuencia se logra con otro componente fotónico llamado modulador, un dispositivo que puede cambiar el índice de refracción del material a altas velocidades. haciéndolos esenciales para las redes ópticas de telecomunicaciones actuales.

Próximo, el equipo predice cómo el sello distintivo de la topología de orden superior, los modos de esquina, puede verse en este sistema enviando frecuencias específicas de luz láser al conjunto de moléculas fotónicas. Para estos modos de esquina, la luz está confinada a la esquina de la estructura bidimensional que consta de una dimensión real y una dimensión de frecuencia sintética, y casi no hay luz en el resto de la estructura.

"Una gran ventaja de las dimensiones sintéticas es la flexibilidad con la que se pueden controlar varios botones para ajustar los parámetros del sistema. Al controlar la fuerza y ​​la sincronización de la señal electrónica aplicada a los moduladores en las moléculas fotónicas, mostramos cómo se pueden activar y desactivar estos modos de esquina. En otras palabras, puede cambiar el sistema de tener topología de orden superior a no tener topología, dinamicamente. Esta capacidad es incomparable en los sistemas electrónicos o fotónicos típicos, "dicen los autores.

Con dimensiones sintéticas, uno puede pensar en la construcción de aislantes topológicos de muy alta dimensión, que son difíciles de construir o incluso imaginar en el espacio real porque vivimos en un mundo tridimensional. Como ejemplo, el equipo construye un aislante topológico de cuarto orden en un sistema de cuatro dimensiones, que no se ha predicho antes ya que está más allá del alcance del espacio real tridimensional.

"Nuestras recetas establecen cómo utilizar dimensiones sintéticas para implementar fenómenos de alta dimensión muy complicados, incluyendo aislantes topológicos de orden extremadamente alto y otras fases exóticas de luz y materia, en sistemas mucho más simples, y controlar dinámicamente sus propiedades casi a voluntad. Las realizaciones experimentales de este concepto están al alcance de la tecnología fotónica actual de última generación, "añaden los científicos.