Físicos de la Universidad de Rostock, el Clúster de Excelencia ct.qmat, la Universidad Julius-Maximilians de Würzburg y la Universidad de Indiana en Indianápolis (IUPUI) han demostrado por primera vez que la luz puede propagarse sin pérdidas en sistemas que interactúan con su entorno. . Anteriormente, se suponía que tales sistemas abiertos inevitablemente exhibirían una amplificación o amortiguación exponencial de la luz y, por lo tanto, conducirían a la inestabilidad del sistema.
Estos nuevos resultados se han publicado recientemente en Nature Materials. . Los hallazgos podrían convertirse en la base para el desarrollo futuro de nuevos circuitos robustos para electricidad, luz y ondas sonoras.
Ya sea que describamos las órbitas de los planetas o el funcionamiento interno del átomo, un paradigma clave en física es la conservación de la energía. Si bien se pueden convertir diferentes formas de energía entre sí, normalmente se supone que la cantidad total de energía es constante en el tiempo. Por lo tanto, los físicos normalmente tienden a asegurarse de que el sistema que intentan describir no interactúe con su entorno.
Sin embargo, resulta que la dinámica de un sistema también puede ser estable si la ganancia y la pérdida de energía se distribuyen de manera sistemática de manera que se cancelen entre sí en todas las condiciones concebibles, lo que puede garantizarse mediante la llamada paridad. -simetría del tiempo (PT).
De forma similar a un vídeo que se reproduce al revés y simultáneamente se refleja en un espejo y, sin embargo, se ve exactamente como el vídeo original (es decir, es PT-simétrico), los componentes del sistema están dispuestos de tal manera que se produce un intercambio de ganancia y pérdida de La luz a través de la duplicación simultánea y la inversión del tiempo hace que el sistema parezca sin cambios.
Lejos de ser una noción puramente académica, la simetría PT ha allanado el camino para una comprensión más profunda de los sistemas abiertos.
Los fascinantes fenómenos físicos asociados con la simetría PT son la especialidad del profesor Alexander Szameit y su equipo de la Universidad de Rostock. En sus chips fotónicos personalizados, la luz láser puede imitar el comportamiento de materiales naturales y sintéticos que están dispuestos en estructuras reticulares periódicas, lo que los convierte en un banco de pruebas ideal para una gran variedad de teorías físicas.
De esta forma, el profesor Szameit y su equipo han conseguido combinar la simetría PT con el concepto de topología. La topología estudia propiedades que no cambian a pesar de que el sistema subyacente se deforma continuamente. Estas propiedades hacen que el sistema sea especialmente robusto frente a influencias externas.
Para sus experimentos, el grupo de investigación de Szameit utiliza guías de ondas fotónicas inscritas con láser:estructuras ópticas escritas en un material mediante un rayo láser. En estos "circuitos de luz" se realizan los llamados aislantes topológicos. Szameit explica:"Estos aisladores han atraído mucha atención en los últimos años debido a su fascinante capacidad para transmitir una corriente de electrones o luz sin pérdidas a lo largo de su frontera. La capacidad única de suprimir el impacto de los defectos y la dispersión los hace particularmente interesantes para todos tipos de aplicaciones tecnológicas."
Sin embargo, hasta ahora se pensaba que Estados fronterizos tan robustos eran fundamentalmente incompatibles con los sistemas abiertos. En su esfuerzo conjunto, los investigadores de Rostock, Würzburg e Indianápolis pudieron demostrar que la aparente paradoja se puede resolver distribuyendo dinámicamente las ganancias y las pérdidas a lo largo del tiempo.
Primer primer autor, Ph.D. El estudiante Alexander Fritzsche explica:"La luz que se propaga a lo largo de los límites de nuestro sistema abierto es como un excursionista que atraviesa un terreno montañoso. A pesar de todos los altibajos, inevitablemente terminarán en la elevación inicial del punto de partida.
"Del mismo modo, la luz que se propaga dentro del canal de borde protegido de nuestro aislador topológico simétrico PT nunca será amplificada o amortiguada exclusivamente y, por lo tanto, puede conservar su amplitud promedio mientras disfruta de toda la robustez que ofrece la topología".
Estos hallazgos son una contribución importante a la comprensión fundamental de los aisladores topológicos y los sistemas abiertos, y pueden abrir las puertas a una nueva generación de circuitos avanzados para electricidad, luz o incluso ondas sonoras.
Más información: Alexander Fritzsche et al, Aislante topológico fotónico simétrico en el tiempo y de paridad, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01773-0
Información de la revista: Materiales naturales
Proporcionado por la Universidad de Rostock
