Na década passada, um novo tipo de material vem atraindo cada vez mais atração:o chamado isolante topológico. Esta classe de materiais exibe uma propriedade muito peculiar:eles se comportam como isolantes no interior, mas contêm estados condutores em suas fronteiras. Como esses estados são protegidos "topologicamente" (veja abaixo), os estados são muito robustos contra imperfeições, e as correntes elétricas podem fluir quase sem qualquer dissipação. Isso torna esses materiais extremamente interessantes para a tarefa de comunicação quântica e computação quântica, por exemplo.

Agora, Dr. Tao Shi (atualmente Academia Chinesa de Ciências, Pequim) e o Prof. Ignacio Cirac do Instituto Max Planck de Óptica Quântica em Garching, junto com o Prof. Jeff Kimble do California Institute of Technology (Pasadena, EUA), desenvolveram um esquema detalhado para uma configuração experimental para realizar um isolador topológico bidimensional com redes ópticas clássicas ( Proceedings of the National Academy of Sciences , AOP 10 de outubro de 2017). “Nesta rede, os modos de fótons desempenham o papel dos estados eletrônicos em uma camada de estado sólido, "explica o Dr. Tao Shi." Ao preparar os modos de fótons quirais na fronteira, podemos ser capazes de construir um guia de ondas eletromagnético unilateral, em que a luz só pode se propagar em uma direção, enquanto a direção oposta é proibida. "

Os cristais de estado sólido são caracterizados por sua estrutura de banda. No caso de um isolador, a chamada banda de valência, em que todos os estados eletrônicos estão ocupados, é separada da banda de condução por uma grande zona proibida. Esse, Contudo, só é válido para amostras infinitas. No caso de um cristal ou camada confinada, os estados eletrônicos na superfície ou borda, respectivamente, diferem daqueles no interior, e às vezes eles surgem no meio da zona proibida. Como a forma da estrutura da banda é matematicamente descrita por um certo número topológico, esses sistemas são chamados de "isoladores topológicos".

A quiralidade dos estados de borda está ligada ao spin do elétron, e é, conseqüentemente, protegido pela simetria de reversão do tempo:um reverso na direção implicaria uma inversão da direção de rotação. Para uma determinada classe de materiais com um número topológico "não trivial", isso não é permitido. Portanto, os estados são protegidos e robustos contra imperfeições ou deformações, contanto que as perturbações sejam pequenas. Em uma determinada classe de isoladores topológicos bidimensionais eletrônicos, também pode ser observado o chamado efeito Hall de spin quântico (QSH). Intuitivamente, este efeito descreve o fenômeno de que elétrons com spins diferentes estão sujeitos a campos magnéticos de direção oposta.

Diferente dos esquemas anteriores, os cientistas propõem uma configuração feita de elementos passivos ópticos, como fibras, divisores de feixe, e placas de ondas, em que as perdas do sistema são reduzidas em grande medida. Ao construir os nós da rede com uma cavidade "ruim", ou seja, uma cavidade com alto amortecimento, eles são capazes de aumentar dramaticamente o gap topológico para a escala da faixa espectral livre. Como consequência, os modos de borda sobrevivem no domínio de frequência maior com vida útil muito mais longa. Além disso, a interação entre a topologia e a não linearidade de Kerr induz a geração de modos de borda comprimida.

"O análogo óptico de um isolador topológico abre o caminho para a construção do guia de onda unidirecional, "Dr. Shi aponta." Além disso - nosso objetivo final é realizar o efeito Hall quântico fracionário (FQHE) neste sistema fotônico. Para este fim, temos que induzir fortes interações fóton-fóton por meio de átomos. Gostaríamos também de ver algumas fases topológicas exóticas no sistema fotônico, que podem ser muito diferentes daqueles observados em sistemas convencionais de matéria condensada. "