La teoría de la física sugiere que las excitaciones exóticas pueden existir en forma de estados ligados confinados en la proximidad de defectos topológicos, por ejemplo, en el caso de los modos cero de Majorana que están atrapados en vórtices dentro de materiales superconductores topológicos. Una mejor comprensión de estos estados podría ayudar al desarrollo de nuevas herramientas computacionales, incluidas las tecnologías cuánticas.

Un fenómeno que ha llamado la atención en los últimos años es el "trenzado, "que ocurre cuando los electrones en estados particulares (es decir, Fermiones de Majorana) se trenzan entre sí. Algunos físicos han teorizado que este fenómeno podría permitir el desarrollo de un nuevo tipo de tecnología cuántica, a saber, ordenadores cuánticos topológicos.

Investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania, Universidad de California, Berkeley, Universidad del Estado de Iowa, Universidad de Pittsburgh, y la Universidad de Boston han probado recientemente la hipótesis de que el trenzado también ocurre en partículas distintas de los electrones, como fotones (es decir, partículas de luz). En un artículo publicado en Física de la naturaleza , presentan la primera demostración experimental de trenzado utilizando modos cero topológicos fotónicos.

"La idea se inspiró en una arquitectura conocida para construir una computadora cuántica; una que se ha predicho teóricamente pero nunca se ha realizado experimentalmente, "Mikael C. Rechtsman, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Para realizar operaciones en este tipo de computadora cuántica previamente teorizado, Los fermiones de Majorana se mueven uno alrededor del otro; esto se llama trenzado. En un estudio teórico previo, algunos de mis colegas predijeron que el trenzado es un fenómeno general que se puede aplicar no solo a los electrones, pero a los fotones, así como. En nuestro nuevo periódico, lo demostramos experimentalmente, utilizando una serie de guías de ondas que son similares a los cables de fibra óptica ".

Rechtsman y sus colegas midieron la fase geométrica del fenómeno de trenzado mediante la realización de un experimento en el que dos procesos de trenzado diferentes interferían entre sí. En uno de estos procesos, los defectos topológicos se trenzaron en el sentido de las agujas del reloj, mientras que en el otro, estaban trenzados en sentido antihorario.

La interferencia es una característica de la mecánica ondulatoria que se utiliza a menudo para estudiar sistemas físicos. Esta característica es responsable de innumerables fenómenos relacionados con las ondas, que van desde remolinos de arco iris en pompas de jabón hasta ondas gravitacionales.

"Observamos que la luz de los dos procesos de trenzado opuestos interfería de forma destructiva, lo que confirmó nuestra predicción teórica de que los procesos tienen una fase de trenzado relativa de pi, "Thomas Schuster, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Fundamentalmente, debido a la acción particularmente simple del trenzado, la medida que recolectamos nos permite extrapolar el comportamiento de cualquier proceso de trenzado. En particular, verifica que al realizar varias trenzas seguidas, el orden del trenzado importa ".

Rechtsman, Schuster y sus colegas demostraron la existencia de un proceso de trenzado generalizable al que se refieren como trenzado no abeliano. que es una simple manifestación de una característica que los investigadores han buscado en los sistemas electrónicos durante varios años. Sus resultados sugieren que el trenzado puede, De hecho, ser un fenómeno común que va más allá de los electrones y también se aplica a la luz, sonido, agua y potencialmente incluso ondas sísmicas.

Además de destacar la posibilidad de utilizar celosías fotónicas como plataforma para estudiar defectos topológicos y su trenzado, Este estudio podría inspirar a otros equipos de investigación a examinar el trenzado en el contexto de otros fenómenos que involucran la producción de ondas. Rechtsman, Schuster y sus colegas ahora planean continuar investigando el trenzado de modos cero topológicos fotónicos, junto con otros fenómenos topológicos que también podrían aplicarse a sistemas relacionados con la luz.

"El trenzado es un fenómeno topológico que se ha asociado tradicionalmente a los dispositivos electrónicos, ", Dijo Rechtsman." Ahora esperamos mostrar que toda una clase de fenómenos topológicos puede ser potencialmente útil no solo para dispositivos electrónicos, sino también dispositivos fotónicos, como los láseres, dispositivos de imágenes médicas, sistemas de telecomunicaciones, y otros. También esperamos que este nuevo tipo de física topológica se pueda aplicar a los sistemas de información cuántica, particularmente los basados ​​en fotones ".

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