Isoladores topológicos têm sido um campo de pesquisa estimulante com interesse fundamental, bem como aplicações práticas, como transporte robusto de elétrons e luz, e computação quântica topológica. A marca registrada de tais isoladores topológicos convencionais é a presença de modos de limite de condução que têm uma dimensão menor do que o sistema de massa isolante que os hospeda - por exemplo, um modo de borda unidimensional no limite de um sistema bidimensional, ou um estado de superfície bidimensional na fronteira de um sistema tridimensional. Em 2017, cientistas generalizaram este conceito para prever uma nova fase da matéria chamada isolante topológico de ordem superior (HOTIs), que suportam 'modos de canto' - por exemplo, um modo de dimensão zero em um sistema bidimensional. Desde então, houve várias demonstrações experimentais desta nova fase HOTI, a maioria dos quais envolve geometrias complicadas. Além disso, esses sistemas anteriores são fixos - ou seja, não se pode mudar ou ajustar dinamicamente seu comportamento topológico de ordem superior, uma vez que eles são fabricados.

Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicações , uma equipe de cientistas, liderado pelo professor Shanhui Fan da Universidade de Stanford, EUA, e colegas de trabalho propuseram uma maneira de realizar essa topologia de ordem superior e estados de canto usando um conceito emergente chamado 'dimensões sintéticas, 'em estruturas mais simples e de uma forma dinamicamente ajustável. Usualmente, partículas como fótons e elétrons se movem ao longo das três direções - x, y e z, ou comprimento, largura e profundidade. E se alguém pudesse imaginar o movimento dos fótons além dessas três direções "reais"? A equipe chama essas direções extras de movimento de 'dimensões sintéticas'.

Para dar esse salto conceitual das três dimensões reais para as dimensões sintéticas, eles aproveitaram as propriedades internas inerentes a todos os fótons - a frequência ou cor da luz, que determina quanta energia um fóton carrega. Trabalhos anteriores da equipe de Stanford e outros grupos demonstraram fases topológicas convencionais (de primeira ordem) usando este conceito de dimensões sintéticas, incluindo fenômenos físicos intrigantes, como o efeito Hall quântico. Contudo, a topologia de ordem superior permaneceu fora do alcance das dimensões sintéticas até agora, embora a natureza de alta dimensão dos HOTIs seja muito adequada à ideia de dimensões sintéticas.

Para construir o isolador topológico de ordem superior, os pesquisadores propõem o uso de um conjunto de ressonadores em anel que são acoplados entre si em um arranjo específico. Cada ressonador de anel é essencialmente um fio fino de um material transparente enrolado em si mesmo, de forma que um fóton pode percorrer o loop muitas vezes. Um par de dois ressonadores de anel idênticos juntos formam uma 'molécula fotônica, 'assim como dois átomos de hidrogênio formam uma molécula diatômica. Ao organizar várias dessas moléculas fotônicas ao longo de uma linha, um isolante topológico de segunda ordem para fótons pode ser formado. Assim como nas dimensões reais, pode-se controlar se um fóton se move para a direita ou para a esquerda (digamos na direção x), o ressonador de anel pode controlar em dimensões sintéticas se um fóton se move para cima ou para baixo em frequência. Esse movimento em frequência é obtido com outro componente fotônico chamado modulador - um dispositivo que pode alterar o índice de refração do material em altas velocidades, tornando-os essenciais para as redes de telecomunicações ópticas de hoje.

Próximo, a equipe prevê como a marca registrada da topologia de ordem superior - os modos de canto - pode ser vista neste sistema, enviando frequências específicas de luz laser para o conjunto de moléculas fotônicas. Para esses modos de canto, a luz está confinada ao canto da estrutura bidimensional que consiste em uma dimensão real e uma dimensão de frequência sintética, e quase não há luz no resto da estrutura.

"Uma grande vantagem das dimensões sintéticas é a flexibilidade com a qual vários botões podem ser controlados para ajustar os parâmetros do sistema. Ao controlar a força e o tempo do sinal eletrônico aplicado aos moduladores nas moléculas fotônicas, mostramos como esses modos de canto podem ser ligados e desligados. Em outras palavras, você pode mudar o sistema de topologia de ordem superior para sem topologia, dinamicamente. Esta capacidade é incomparável em sistemas eletrônicos ou fotônicos típicos, "dizem os autores.

Com dimensões sintéticas, pode-se pensar em construir isoladores topológicos de dimensões muito altas, que são difíceis de construir ou mesmo imaginar no espaço real porque vivemos em um mundo tridimensional. Como um exemplo, a equipe constrói um isolador topológico de quarta ordem em um sistema quadridimensional, que não foi previsto antes, uma vez que está além do alcance do espaço real tridimensional.

"Nossas receitas mostram como usar dimensões sintéticas para implementar fenômenos de alta dimensão muito complicados, incluindo isoladores topológicos de ordem extremamente alta e outras fases exóticas de luz e matéria, em sistemas muito mais simples, e controlar dinamicamente suas propriedades quase que à vontade. As realizações experimentais deste conceito estão bem ao alcance da tecnologia fotônica de ponta atual, "acrescentam os cientistas.