Dispositivos fotônicos mais baratos e eficientes, como lasers, fibras ópticas, e outras fontes de luz podem ser possíveis com luz confinada que não é afetada por imperfeições no material que a confina, de acordo com novas pesquisas. Uma equipe de físicos da Penn State, a Universidade de Pittsburgh, e a Universidade de Illinois demonstraram em um experimento de prova de conceito que podem conter luz de tal forma que a torna altamente insensível a defeitos que podem estar presentes em um material. Os resultados da pesquisa aparecem online em 4 de junho, 2018 no jornal Nature Photonics .

"A tecnologia fotônica envolve a geração, transmissão, e manipulação de luz e é usado de forma onipresente em todos os setores, "disse Mikael Rechtsman, o Professor Assistente de Física em Início de Carreira de Downsbrough na Penn State e o líder da equipe de pesquisa. "É a base da rede de fibra óptica que forma o esqueleto da Internet, células solares utilizadas na geração de energia sustentável, e lasers de alta potência usados ​​na fabricação, entre muitas outras aplicações. Encontrar uma maneira de confinar e manipular a luz de forma que seja insensível a defeitos pode ter um grande impacto sobre essa tecnologia. "

Para confinar a luz, os pesquisadores usaram uma estrutura de rede complexa composta de "guias de onda" precisamente esculpidos em vidro. Esses guias de onda agem como fios, mas para luz em vez de eletricidade. Nesta estrutura, a luz entra em uma extremidade do guia de ondas e fica presa e confinada à medida que se propaga para a frente através dos fios. Lá, a luz capturada torna-se imune a imperfeições nas posições dos guias de ondas, e, portanto, imperfeições significativas na estrutura podem ser toleradas.

“A luz torna-se insensível devido ao fenômeno de 'proteção topológica', "disse Rechtsman." Este conceito tem sido usado extensivamente no contexto da física eletrônica de estado sólido. A estrutura do guia de ondas é um análogo fotônico dos chamados 'isoladores cristalinos topológicos, 'e esta forma de proteção topológica pode ser potencialmente usada em uma variedade de dispositivos fotônicos, incluindo lasers em nanoescala, fibras ópticas não lineares especializadas, e para acoplamento robusto e preciso entre fótons e elétrons para manipulação de informações quânticas. "

Confinar a luz dessa forma pode tornar a produção de muitos dispositivos fotônicos mais baratos e mais eficientes. Além disso, este é um exemplo do uso potencialmente interdisciplinar - unindo fotônica e eletrônica de estado sólido - de proteção topológica e demonstra a ampla aplicabilidade desse fenômeno além de sua concepção na física de estado sólido eletrônico.

"Em fotônica, é extremamente importante ser capaz de capturar a luz e confiná-la a espaços muito pequenos, "disse Rechtsman." Comprime a quantidade máxima de potência óptica na menor área ou volume dentro de um material, fazendo com que interaja mais fortemente com o material, e, portanto, é mais eficiente em tudo o que deve fazer. Uma grande dificuldade em fazer isso é que o confinamento forte traz consigo extrema sensibilidade a quaisquer imperfeições no material, o que muitas vezes pode inibir a eficiência ou tornar o dispositivo muito caro para fabricar. Nossos resultados sugerem que podemos superar essa dificuldade. "