Para el estudio actual, publicado en Nature Photonics , los científicos utilizaron la interferencia entre dos láseres para crear un paisaje dinámico de energía potencial (imagine un paisaje de valles y colinas, en constante movimiento repetitivo) para un estado coherente de polaritones similar a un láser conocido como condensado de polaritones.

Lo lograron introduciendo una nueva herramienta óptica, una cinta transportadora óptica, para permitir el control del paisaje energético, concretamente, las profundidades de la red y las interacciones entre partículas vecinas.

Al ajustar aún más la diferencia de frecuencia entre los dos láseres, la cinta transportadora se mueve a velocidades del orden del 0,1% de la velocidad de la luz, llevando los polaritones a un nuevo estado.

La no reciprocidad, un fenómeno en el que la dinámica del sistema es diferente en direcciones opuestas, es un ingrediente crucial para crear lo que se conoce como una fase topológica artificial de la materia. La topología es la clasificación matemática de objetos contando el número de "agujeros", por ejemplo, un donut o un nudo pueden tener un número finito de agujeros, mientras que una bola no tiene ninguno.

Los materiales cuánticos también se pueden diseñar con una topología distinta de cero, que en este caso está integrada de manera más abstracta en la estructura de bandas. Estos materiales pueden exhibir comportamientos como el transporte sin disipación, lo que significa que pueden moverse sin pérdida de energía, y otros fenómenos cuánticos exóticos.

Es extremadamente desafiante introducir la no reciprocidad en plataformas ópticas diseñadas, y esta demostración experimental simple y extensible abre nuevas oportunidades para que las tecnologías cuánticas emergentes incorporen topología funcional.

El grupo de investigación, incluido el primer autor Yago del Valle Inclán Redondo, y dirigido por el investigador científico senior Michael Fraser, ambos de RIKEN CEMS y NTT Research, junto con colaboradores de Alemania, Singapur y Australia, han realizado un estudio en esta dirección. P>

Fraser dice:"Hemos creado un estado topológico de luz en una estructura semiconductora mediante un mecanismo que implica una rápida modulación del paisaje energético, lo que da como resultado la introducción de una dimensión sintética".

Una dimensión sintética es un método para mapear una dimensión no espacial, en este caso el tiempo, en una dimensión espacial, de modo que la dinámica del sistema pueda evolucionar en un mayor número de dimensiones y adaptarse mejor a la realización de la materia topológica. P>

Este trabajo se extiende sobre una técnica desarrollada por el grupo, publicada el año pasado, que de manera similar utilizó láseres modulados temporalmente para impulsar la rápida rotación de condensados ​​de polaritones.

Utilizando este sencillo esquema experimental que implica la interferencia entre dos láseres, los científicos pudieron organizar polaritones en las dimensiones precisas para crear una estructura de bandas artificial, lo que significa que las partículas se organizaron en bandas de energía como los electrones en un material.

Al ajustar las dimensiones, la profundidad y la velocidad de la red óptica de polaritones, se logra el control sobre la estructura de la banda. Gracias a este rápido movimiento, los polaritones ven un paisaje de energía potencial diferente dependiendo de si se propagan a favor o en contra del flujo de la red, un efecto análogo al desplazamiento Doppler del sonido.

Esta respuesta asimétrica de los polaritones confinados rompe la simetría de inversión del tiempo, generando no reciprocidad y la formación de una estructura de banda topológica.

"Los estados fotónicos con propiedades topológicas se pueden utilizar en dispositivos optoelectrónicos avanzados donde la topología podría mejorar en gran medida el rendimiento de los dispositivos, circuitos y redes ópticos, por ejemplo, reduciendo el ruido y las potencias umbral del láser, y guías de ondas ópticas sin disipación.

"Además, la simplicidad y robustez de nuestra técnica abre nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos fotónicos topológicos con aplicaciones en metrología cuántica e información cuántica", concluye Fraser.