Los investigadores han propuesto varios marcos teóricos para estudiar e implementar SD, con el objetivo de aprovechar fenómenos como campos de calibre sintéticos, física cuántica de Hall, solitones discretos y transiciones de fase topológicas en cuatro dimensiones o más. Esas propuestas podrían conducir a nuevos conocimientos fundamentales en física.

Uno de los principales desafíos en el espacio 3D convencional es la realización experimental de estructuras reticulares complejas con acoplamientos específicos. Los SD ofrecen una solución al proporcionar una plataforma más accesible para crear redes intrincadas de resonadores con acoplamientos anisotrópicos, de largo alcance o disipativos. Esta capacidad ya ha dado lugar a demostraciones innovadoras de devanado topológico no hermitiano, simetría de tiempo de paridad y otros fenómenos.

Se puede utilizar una variedad de parámetros o grados de libertad dentro de un sistema, como modos de frecuencia, modos espaciales y momentos angulares orbitales, para construir SD, lo que promete aplicaciones en diversos campos que van desde comunicaciones ópticas hasta láseres aislantes topológicos.

Un objetivo clave en este campo es la construcción de una red "utópica" de resonadores en la que cualquier par de modos pueda acoplarse de forma controlada. Lograr este objetivo requiere una manipulación precisa del modo dentro de los sistemas fotónicos, lo que ofrece vías para mejorar la transmisión de datos, la eficiencia de la recolección de energía y el resplandor de la matriz láser.

Ahora, como se informa en Fotónica avanzada , un equipo internacional de investigadores ha creado matrices personalizables de guías de ondas para establecer dimensiones modales sintéticas. Este avance permite un control efectivo de la luz en un sistema fotónico, sin la necesidad de funciones adicionales complicadas como la no linealidad o la no hermiticidad.

El profesor Zhigang Chen de la Universidad de Nankai señala:"La capacidad de ajustar diferentes modos de luz dentro del sistema nos acerca un paso más a lograr redes 'utópicas', donde todos los parámetros de un experimento sean perfectamente controlables".

En su trabajo, los investigadores modulan las perturbaciones ("frecuencias de movimiento") para propagaciones que coincidan con las diferencias entre los diferentes modos de luz. Para ello, emplean redes neuronales artificiales (RNA) para diseñar matrices de guías de ondas en el espacio real. Las RNA están entrenadas para crear configuraciones de guías de ondas que tengan exactamente los patrones de modo deseados. Estas pruebas ayudan a revelar cómo la luz se propaga y queda confinada dentro de las matrices.

Finalmente, los investigadores demuestran el uso de RNA para diseñar un tipo especial de estructura reticular fotónica llamada red Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Esta celosía tiene una característica específica que permite el control topológico de la luz en todo el sistema. Esto les permite cambiar el modo en que viaja la luz, mostrando las propiedades únicas de sus dimensiones sintéticas.

La implicación de este trabajo es sustancial. Al ajustar las distancias y frecuencias de las guías de ondas, los investigadores pretenden optimizar el diseño y la fabricación de dispositivos fotónicos integrados.

El profesor Hrvoje Buljan de la Universidad de Zagreb dice:"Más allá de la fotónica, este trabajo ofrece una visión de la física geométricamente inaccesible. Es prometedor para aplicaciones que van desde el láser modo hasta la óptica cuántica y la transmisión de datos".

Tanto Chen como Buljan señalan que la interacción de la fotónica topológica y la fotónica de dimensión sintética potenciada por las RNA abre nuevas posibilidades para descubrimientos que pueden conducir a materiales y aplicaciones de dispositivos sin precedentes.