La dislocación en espiral da a la fotónica topológica 3D una ventaja robusta

El éxito de la colaboración internacional ha hecho avanzar sustancialmente la investigación fundamental sobre fotónica topológica

30.09.2022 - Alemania

Investigadores de la Universidad de Rostock y del Technion Haifa han creado el primer aislante topológico tridimensional para la luz. Una dislocación en forma de tornillo colocada con buen criterio permite que las señales ópticas se enrollen en la superficie de una red sintética y la mantengan protegida de la dispersión. Su descubrimiento se ha publicado recientemente en la revista "Nature".

Los cristales han cautivado al ser humano durante miles de años por su belleza visual y sus elegantes formas simétricas y, más recientemente, por sus numerosas aplicaciones tecnológicas. Fundamentalmente, estos materiales se basan en una disposición muy regular de sus elementos constitutivos más pequeños, y las propiedades físicas de los materiales cristalinos dependen en gran medida de la pureza de su entramado subyacente. Sin embargo, las imperfecciones no son necesariamente perjudiciales. Por ejemplo, una pizca de átomos de grupos adyacentes de la tabla periódica es capaz de convertir placas de silicio cristalino, que de otro modo serían inertes, en potentes procesadores electrónicos que realizan rutinariamente miles de millones de operaciones por segundo, así como en células solares altamente eficientes capaces de recoger la luz solar para alimentarlas.

Resulta que el concepto de sistemas discretos no se limita a los sólidos, ya que el mismo marco matemático subyacente también describe la evolución de la luz en entramados de las llamadas guías de onda. Estos "cables para la luz" llevan mucho tiempo fascinando al profesor Alexander Szameit, de la Universidad de Rostock. "Todos los niños saben que la luz viaja en línea recta. En el mejor de los casos, puede reflejarse en un espejo o desviarse en algún ángulo al entrar en un bloque de vidrio o pasar por una lente", resume el jefe del grupo de óptica de estado sólido en su experiencia diaria con la óptica. "Nunca deja de sorprenderme que la luz pueda realmente fijarse y hacer un túnel entre trayectorias específicas como los electrones en un cristal", continúa describiendo la base de la investigación de su grupo. En este sentido, los conjuntos de guías de ondas pueden reflejar muchas facetas de la física del estado sólido, e incluso dar lugar a efectos totalmente nuevos y a estructuras funcionales novedosas.

Para su último avance, los físicos de Rostock se asociaron con colegas de Technion Haifa (Israel) y la Universidad de Zhejiang (China) para construir un material óptico artificial hasta ahora difícil de alcanzar: Un aislante topológico (TI) tridimensional para la luz. "Los aislantes topológicos son una nueva fase de la materia y sólo se conocen desde hace un par de décadas", esboza el autor, el Dr. Lukas Maczewsky, sobre los antecedentes de este trabajo. "Sus homólogos fotónicos pueden guiar la luz alrededor de los defectos y las esquinas agudas, y protegerla de la dispersión en el proceso". Sin embargo, la luz se mueve a velocidades increíbles, y las plataformas fotónicas convencionales suelen tener que sacrificar al menos una de las tres dimensiones espaciales para controlar el comportamiento de la luz en las restantes. En consecuencia, los experimentos anteriores sobre TIs fotónicos se limitaban a disposiciones unidimensionales y planas.

La elegante solución que el equipo de investigadores ha ideado para superar estas limitaciones combina el concepto de dimensiones sintéticas con un tipo específico de defecto, la llamada "dislocación en tornillo". Este defecto, colocado con buen criterio, conecta continuamente los planos individuales de la red girándolos alrededor de un eje central, de forma similar a un sacacorchos. El coautor y estudiante de doctorado Julius Beck explica: "Como si transformáramos una pila suelta de anillos en una espiral perfectamente conectada, este defecto intencionado nos permitió crear el primer aislante topológico 3D para la luz".

Llevada a cabo en el contexto del recientemente creado centro de investigación colaborativa "LiMatI" de la Universidad de Rostock, esta exitosa colaboración internacional ha hecho avanzar sustancialmente la investigación fundamental sobre fotónica topológica. Aunque aún quedan retos formidables hasta que estos conocimientos lleguen a los productos de consumo, el último desarrollo de los físicos tiene un gran potencial para una amplia gama de aplicaciones innovadoras, como los circuitos topológicos tridimensionales compactos para la luz y una nueva clase de materiales ópticos funcionalizados con propiedades a medida.

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