p Isoladores topológicos são estados exóticos da matéria que os físicos têm estudado intensamente na última década. Sua característica mais intrigante é que eles podem ser rigorosamente distinguidos de todos os outros materiais usando um conceito matemático conhecido como "topologia". Esta propriedade matemática concede aos isoladores topológicos a capacidade de transportar sinais elétricos sem dissipação, por meio de estados quânticos especiais chamados "estados de superfície topológicos". p Contudo, Os isoladores topológicos não precisam ser realizados apenas com elétrons. Os físicos também criaram isoladores topológicos fotônicos, materiais sintéticos que transmitem ondas de luz com características topológicas distintas, permitindo que a luz (em vez de correntes elétricas) flua por meio de estados de superfície topológicos. Ao contrário dos isoladores topológicos eletrônicos, isoladores topológicos fotônicos podem operar facilmente em temperatura ambiente, entre outras vantagens. Como resultado, isoladores topológicos fotônicos podem ter aplicações em dispositivos ópticos futuros, como lasers de alta potência e diodos ópticos.

p Uma equipe de pesquisadores da Universidade Tecnológica de Nanyang (NTU), Cingapura, e a Universidade de Zhejiang, China, anunciou o desenvolvimento do primeiro isolador topológico fotônico tridimensional (3-D) do mundo. Em um artigo a ser publicado na próxima edição da Natureza , a equipe relata que uma série de ressonadores 3-D especialmente projetada pode atuar como um isolante topológico para microondas. Eles observaram evidências inequívocas para os estados de superfície topológicos de assinatura, na forma de microondas que fluem sem esforço ao longo de folhas 2-D embutidas no volume 3-D de sua amostra.

p “Pesquisadores anteriores conseguiram fazer isoladores topológicos fotônicos bidimensionais. Mas, apesar de muitas propostas teóricas ao longo dos anos, ninguém foi capaz de realizar uma versão 3-D, "diz o professor associado Baile Zhang da NTU, que co-supervisionou o projeto. Ele observa que os isoladores topológicos 3-D têm recursos importantes, incluindo a capacidade de canalizar estados de superfície topológicos ao longo de todas as direções espaciais possíveis. Em um de seus experimentos, os pesquisadores mostraram que as microondas podem ser guiadas com eficiência ao longo de uma superfície 2-D contendo dobras em zigue-zague.

p A equipe construiu o isolador topológico fotônico 3-D a partir de uma pilha de finas folhas de plástico embutidas com antenas de metal atuando como minúsculos ressonadores eletromagnéticos. A principal descoberta foi feita quando eles perceberam como adaptar os ressonadores para interagir com as ondas eletromagnéticas de uma maneira muito específica, conferindo às ondas as características topológicas desejadas.

p "Como as folhas são feitas com tecnologia bem estabelecida para impressão de placas de circuito, este design é barato e simples de implementar, "explica o professor Hongsheng Chen da Universidade de Zhejiang, outro co-supervisor do projeto. "Por comparação, outras propostas previamente publicadas na literatura científica envolvendo o uso de materiais cerâmicos ou magnéticos não padronizados, que são muito difíceis de trabalhar se você quiser fazer um dispositivo real. "

p Dr. Yihao Yang, um pesquisador de pós-doutorado na NTU que foi o autor principal do artigo, disse que a equipe foi capaz de construir um caso científico convincente, construindo mapas detalhados de como as ondas eletromagnéticas viajam dentro do isolador topológico fotônico. "Ao inserir cuidadosamente uma sonda de campo eletromagnético na amostra, medimos as distribuições de campo em toda a amostra. Isso nos permitiu reconstruir as 'relações de dispersão' que servem como assinaturas físicas de isoladores topológicos, " ele disse.

p Professor Associado Yidong Chong, outro membro da equipe NTU, observaram que este trabalho é a primeira realização de um isolador topológico 3-D sintético não baseado no fluxo de corrente elétrica. "Este é um exemplo da universalidade da física, "disse ele." Um fenômeno que surge em um cenário, como materiais quânticos, pode ser reproduzido em outro ambiente, neste caso, um meio artificial para ondas eletromagnéticas. O ingrediente principal é que eles obedecem às mesmas equações e conceitos teóricos. "Ele sugere que o isolador topológico fotônico 3-D pode fornecer um ambiente interessante para estudar a física fundamental, já que os estados topológicos da superfície são governados pelas mesmas equações que os elétrons 2-D sem massa obedecendo à teoria da relatividade de Einstein.

p O atual isolante topológico fotônico 3-D é limitado a ondas eletromagnéticas, em frequências relativamente baixas. "Se pudermos escalá-lo para frequências ópticas, ou seja, ondas de luz visível, pode haver aplicativos para a criação de chips ópticos de computador, lasers, e todos os tipos de dispositivos ópticos interessantes, "diz o professor Zhang da NTU.