Las ideas topológicas han tomado recientemente el centro del escenario del electromagnetismo moderno. Los sistemas fotónicos topológicos típicos se basan en materiales no recíprocos, una clase de materiales que permiten interacciones luz-materia asimétricas. En particular, las plataformas no recíprocas pueden admitir canales unidireccionales que permiten la propagación en una dirección determinada del espacio, digamos de izquierda a derecha, pero no al revés. Estas guías unidireccionales tienen una importancia clave en los sistemas ópticos porque sus diseños modulares implican interacciones unidireccionales que requieren el aislamiento óptico de los diferentes módulos.

Aunque las propiedades topológicas de un material tienen sus raíces en conceptos matemáticos abstractos, se pueden destilar de una manera física simple. Considere el problema de interconectar varios materiales no recíprocos diferentes, digamos cinco, por ejemplo, en algún punto de unión, como rebanadas de un pastel. Todos los materiales operan en un intervalo de banda de frecuencia en el que no admiten la propagación en sus regiones principales. Sin embargo, cada una de las interfaces puede admitir un cierto número de estados de borde unidireccionales, que pueden propagarse hacia el punto de unión o alejarse de él.

Afirmar que un sistema es topológico es una forma sofisticada de decir que, en la situación descrita de los materiales interconectados en forma de pastel, es imposible idear una construcción en la que el número de canales de radiación entrantes difiera del número de canales salientes. En otras palabras, en los sistemas topológicos existe un equilibrio forzado entre el número de canales de entrada y el número de canales de salida, de forma análoga a la conservación de la corriente en las leyes de circuito de Kirchhoff. De hecho, si el número de canales entrantes y salientes pudiera ser diferente, sería posible idear una excitación que transfiriera continuamente energía desde una fuente hasta el punto de unión. En tal situación, solo se puede alcanzar un equilibrio termodinámico si la energía que llega a la unión se disipa en forma de calor.

Ahora, como se informa en Advanced Photonics , los investigadores han demostrado que un escenario tan artificial se puede observar en sistemas físicos realistas. Exploran el hecho de que los sistemas no recíprocos con una simetría de traslación continua tienen una topología mal definida. Demuestran que, contrariamente a la creencia común, una unión de materiales no recíprocos no está necesariamente limitada por ninguna restricción de equilibrio en el número de canales de entrada/salida.

El equipo verificó experimentalmente que, emparejando dos guías de onda, una con una topología mal definida y otra con una topología bien definida, es posible detener inmediatamente un modo de borde en la unión entre las guías de onda, creando una topología singularidad. La onda se detiene en seco en la singularidad, que puede representarse como un sumidero de energía donde toda la energía entrante se concentra y eventualmente se disipa en un solo punto en el espacio. Estos emocionantes desarrollos sugieren una nueva forma de lograr singularidades topológicas que presentan fenómenos de olas extremas. Esto puede ser útil para la recolección de energía y para mejorar los efectos no lineales. + Explora más

Investigadores anuncian avance de fotones y fonones