Los cristales han cautivado a los humanos durante miles de años con su belleza visual y sus elegantes formas simétricas y, más recientemente, con sus numerosas aplicaciones tecnológicas. Fundamentalmente, estos materiales se basan en una disposición muy regular de sus elementos constituyentes más pequeños, y las propiedades físicas de los materiales cristalinos dependen en gran medida de la pureza de su red subyacente.

Sin embargo, las imperfecciones no son necesariamente perjudiciales. Por ejemplo, una pizca de átomos de grupos adyacentes en la tabla periódica es capaz de convertir losas de silicio cristalino inertes en poderosos procesadores electrónicos que realizan rutinariamente miles de millones de operaciones por segundo, así como células solares altamente eficientes capaces de recolectar luz solar para generar energía. ellos.

Resulta que el concepto de sistemas discretos no se limita a los sólidos, ya que el mismo marco matemático subyacente también describe la evolución de la luz en las redes de las llamadas guías de ondas.

Estos "cables para la luz" han fascinado al Prof. Alexander Szameit de la Universidad de Rostock durante mucho tiempo. "Todos los niños saben que la luz viaja en línea recta. En el mejor de los casos, puede reflejarse en un espejo o desviarse en algún ángulo cuando ingresa a un bloque de vidrio o pasa a través de una lente", describe el jefe del grupo de óptica de estado sólido. la experiencia del día a día con la óptica.

"Nunca deja de sorprenderme que la luz se pueda fijar y hacer un túnel entre trayectorias específicas como los electrones en un cristal", continúa, describiendo la base de la investigación de su grupo. En este sentido, los conjuntos de guías de ondas pueden reflejar muchas facetas de la física del estado sólido e incluso dar lugar a efectos completamente nuevos y estructuras funcionales novedosas.

Para su último avance, los físicos de Rostock se asociaron con colegas de Technion Haifa (Israel) y la Universidad de Zhejiang (China) para construir un material óptico artificial hasta ahora esquivo:un aislante topológico tridimensional (TI) para la luz.

"Los aisladores topológicos son una nueva fase de la materia y solo se conocen desde hace un par de décadas", dice el autor, el Dr. Lukas Maczewsky. "Sus contrapartes fotónicas pueden guiar la luz alrededor de defectos y esquinas afiladas, y protegerla para que no se disperse en el proceso".

Sin embargo, la luz se mueve a velocidades increíbles y las plataformas fotónicas convencionales normalmente tienen que sacrificar al menos una de las tres dimensiones espaciales para controlar el comportamiento de la luz en las restantes. En consecuencia, los experimentos anteriores sobre TI fotónicos se restringieron a arreglos unidimensionales y planos.

La solución elegante que se le ocurrió al equipo de investigadores para superar estas limitaciones combina el concepto de dimensiones sintéticas con un tipo específico de defecto, la llamada "dislocación de tornillo". Este defecto colocado juiciosamente conecta continuamente los planos individuales de la red girándolos alrededor de un eje central similar a un sacacorchos. Coautor y Ph.D. El estudiante Julius Beck explica que "como transformar una pila de anillos sueltos en una espiral conectada a la perfección, este defecto intencional nos permitió crear el primer aislador topológico 3D para la luz".

La investigación fue publicada en Nature . + Explora más

Fotónica topológica en redes fractales