Hasta ahora, los físicos han estudiado principalmente las fases topológicas en sistemas acoplados de forma conservadora. Estos son sistemas con una dinámica que no se disipa y un espacio de fase que no se contrae con el tiempo. Están en marcado contraste con los sistemas disipativos, que son sistemas termodinámicamente abiertos (es decir, que operan fuera del equilibrio termodinámico) marcados por dinámicas que pueden disiparse con el tiempo.

Investigadores del Instituto de Tecnología de California, la Universidad de Stanford y otros institutos de todo el mundo han introducido y demostrado experimentalmente fases topológicas en un sistema acoplado disipativamente. Su artículo, publicado en Nature Physics , en última instancia, podría informar el desarrollo de nuevas tecnologías que son menos susceptibles a los defectos de fabricación.

"Nuestras fases topológicas disipativamente acopladas manifiestan una topología no trivial en las propiedades de disipación de un sistema:un concepto fundamentalmente nuevo que llamamos disipación topológica", dijo a Phys.org Alireza Marandi, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "La disipación topológica presenta una nueva dirección de estudio para la física topológica y tiene el potencial de inspirar dispositivos novedosos para electrónica, fonónica y fotónica de estado sólido que son inmunes al ruido ambiental y resistentes a las imperfecciones de fabricación".

Además de demostrar las fases topológicas en un sistema disipativo, Marandi y sus colegas crearon una plataforma experimental que podría mejorar el estudio de la física topológica. Más específicamente, utilizaron redes de resonadores multiplexados en el tiempo para crear una plataforma flexible a gran escala para estudiar la fotónica topológica.

"En nuestro artículo, mostramos algunas de las capacidades de la plataforma, por ejemplo, en la misma configuración sin modificaciones de hardware, podemos cambiar las condiciones de contorno y cambiar de una red topológica a una red trivial en medio del experimento y estudiar exóticos dinámica", explicó Marandi. "Nuestra plataforma es fácilmente escalable a dimensiones aún más sintéticas y puede implementar acoplamientos complejos de largo alcance, proporcionando una plantilla sencilla para estudiar física en redes densamente conectadas y en cuatro o más dimensiones".

La plataforma diseñada por Marandi y sus colegas consiste en una red de resonadores fotónicos, unidos por conexiones "disipadoras". Básicamente, esto significa que cada uno de los caminos que conectan los resonadores pueden filtrar algunos fotones y hacer que abandonen la red, dependiendo de cómo la luz en la conexión interfiere con la luz en los resonadores (por ejemplo, de forma constructiva o destructiva). En términos más técnicos, la disipación de la red creada por los investigadores depende de su supermodo y de cómo se excita este supermodo.

"Hemos demostrado analíticamente que en una red puramente acoplada disipativamente, cuando la red representa una red, una red topológica en nuestro caso, las tasas de disipación de los modos serían equivalentes a las bandas de energía de la red y podríamos observar comportamientos topológicos en esas tasas de disipación", dijo Marandi. "Por ejemplo, en un caso específico, podríamos observar que el factor de calidad del supermodo de la red estaría topológicamente protegido contra desórdenes en la red".

La plataforma creada por Marandi y sus colegas se fabricó con componentes estándar basados ​​en fibra óptica y se impulsó con un láser de pulso corto. Para programar la máquina óptica y adaptarla a una red específica, los investigadores utilizaron un sistema FPGA, un circuito de hardware utilizado para realizar operaciones lógicas.

Los resultados obtenidos por este equipo de investigadores podrían sentar las bases para futuros estudios teóricos y experimentos centrados en las fases topológicas de los sistemas disipativos. Además, la fase topológica acoplada disipativamente demostrada por los investigadores también podría ser relevante para otras áreas de la física, incluida la física de la materia condensada, la fotónica y el estudio de átomos ultrafríos.

"Las fases topológicas disipativamente acopladas presentan estados topológicos robustos con tasas de disipación aisladas", dijo Marandi. "Esta propiedad también proporciona una nueva forma de diseñar la disipación de un sistema y podría ser útil para diseñar dispositivos como memorias cuánticas, sensores fotónicos y amplificadores topológicos".

En el futuro, el trabajo reciente de Marandi y sus colegas también podría ser de interés para los equipos que se centren en un área de investigación relativamente nueva, a saber, la física topológica no hermítica. De hecho, las propiedades disipativas de las fases topológicas que revelaron podrían combinarse con las ganancias y pérdidas observadas en sistemas no hermitianos para realizar nuevos efectos topológicos. Estos efectos podrían, a su vez, permitir el desarrollo de láseres nuevos, robustos y muy potentes.

"Ahora planeamos estudiar la física fundamental que está habilitada por la flexibilidad y escalabilidad de nuestra máquina", dijo Marandi. "En esa dirección, estamos estudiando algunas dinámicas topológicas exóticas y no hermitianas que han estado más allá del alcance de las plataformas experimentales anteriores. La otra dirección de investigación que perseguimos está relacionada con las aplicaciones, ya que creemos que la noción de disipación topológica puede ser un recurso adicional para los sistemas fotónicos. Específicamente, actualmente estamos aprovechando tales fases topológicas para crear láseres de modo bloqueado y sensores fotónicos". + Explora más

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