La comprensión de la física cuántica ha implicado la creación de una amplia gama de cuasipartículas. Estas construcciones teóricas describen fenómenos emergentes que parecen tener las propiedades de muchas otras partículas mezcladas.

Un excitón por ejemplo, es una cuasipartícula que actúa como un electrón unido a un agujero de electrones, o el espacio vacío en un material semiconductor donde podría estar un electrón. Un paso más, un excitón-polaritón combina las propiedades de un excitón con las de un fotón, haciéndolo comportarse como una combinación de materia y luz. Lograr y controlar activamente la combinación correcta de estas propiedades, como su masa, velocidad, dirección del movimiento y capacidad para interactuar fuertemente entre sí:es la clave para aplicar los fenómenos cuánticos a la tecnología, como las computadoras.

Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania son los primeros en crear una forma aún más exótica del excitón-polaritón, uno que tiene un giro cuántico definido que está bloqueado en su dirección de movimiento. Dependiendo de la dirección de su giro, estos excitones-polaritones topológicos helicoidales se mueven en direcciones opuestas a lo largo de la superficie de un tipo igualmente especializado de aislante topológico.

En un estudio publicado en la revista Ciencias , han demostrado este fenómeno a temperaturas mucho más cálidas que el cero casi absoluto que normalmente se requiere para mantener este tipo de fenómeno cuántico. La capacidad de enrutar estas cuasipartículas en función de su giro en condiciones más fáciles de usar, y un entorno en el que no se dispersen, abre la posibilidad de utilizarlos para transmitir información o realizar cálculos a velocidades sin precedentes.

El estudio fue dirigido por Ritesh Agarwal, profesor del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y Wenjing Liu, un investigador postdoctoral en su laboratorio. Colaboraron con investigadores de la Universidad de Hunan y la Universidad George Washington.

El estudio también demuestra un nuevo tipo de aislante topológico, una clase de material desarrollado en Penn por Charles Kane y Eugene Mele que tiene una superficie conductora y un núcleo aislante. Los aislantes topológicos son apreciados por su capacidad para propagar electrones en su superficie sin dispersarlos. y la misma idea puede extenderse a cuasipartículas como fotones o polaritones.

"Reemplazar electrones con fotones haría que las computadoras y otras tecnologías fueran aún más rápidas, pero los fotones son muy difíciles de modular, ruta o cambio. No se pueden transportar en curvas cerradas y se escapan de la guía de ondas, "Dice Agarwal." Aquí es donde los excitones-polaritones topológicos pueden ser útiles, pero eso significa que necesitamos fabricar nuevos tipos de aisladores topológicos que puedan funcionar con polaritones. Si pudiéramos hacer este tipo de material cuántico, podríamos enrutar excitones-polaritones a lo largo de ciertos canales sin ninguna dispersión, así como modularlos o conmutarlos mediante campos eléctricos aplicados externamente o mediante ligeros cambios de temperatura ".

El grupo de Agarwal ha creado varios tipos de aislantes topológicos fotónicos en el pasado. Si bien un grupo en Europa informó sobre el primer aislante topológico de polaritón "quiral", Funcionó a temperaturas extremadamente bajas y requirió campos magnéticos fuertes La pieza faltante, y distinción entre "quiral" y "helicoidal" en este caso, era la capacidad de controlar la dirección del flujo a través del giro de las cuasipartículas.

"Para crear esta fase, utilizamos un semiconductor atómicamente delgado, disulfuro de tungsteno, que forma excitones muy unidos, y lo acopló fuertemente a un cristal fotónico correctamente diseñado mediante ingeniería de simetría. Esta topología no trivial indujo a los polaritones resultantes, "Dice Agarwal." En la interfaz entre cristales fotónicos con diferente topología, demostramos la generación de polaritones topológicos helicoidales que no se dispersan en esquinas afiladas o defectos, así como el transporte dependiente del giro ".

Agarwal y sus colegas realizaron el estudio a 200K, o aproximadamente -100 F sin la necesidad de aplicar campos magnéticos. Mientras eso parece frío es considerablemente más cálido, y más fácil de lograr, que sistemas similares que operan a 4K, o aproximadamente -450F.

Confían en que una mayor investigación y técnicas de fabricación mejoradas para su material semiconductor permitirán que su diseño funcione fácilmente a temperatura ambiente.

"Desde un punto de vista académico, 200K ya está casi a temperatura ambiente, tan pequeños avances en la pureza del material podrían fácilmente llevarlo a trabajar en condiciones ambientales, "dice Agarwal." Atómicamente delgado, Los materiales '2-D' forman excitones muy fuertes que sobreviven a temperatura ambiente y más allá, por lo que creemos que solo necesitamos pequeñas modificaciones en la forma en que se ensamblan nuestros materiales ".

El grupo de Agarwal ahora está trabajando en el estudio de cómo los polaritones topológicos interactúan entre sí, lo que los acercaría un paso más a su uso en dispositivos fotónicos prácticos.