Pesquisadores do Joint Quantum Institute (JQI) criaram o primeiro chip de silício que pode confiavelmente restringir a luz em seus quatro cantos. O efeito, que surge de vias ópticas interferentes, não é alterado por pequenos defeitos durante a fabricação e pode eventualmente permitir a criação de fontes robustas de luz quântica.

Essa robustez se deve à física topológica, que descreve as propriedades dos materiais que são insensíveis a pequenas mudanças na geometria. O contorno da luz, que foi relatado em 17 de junho em Nature Photonics , é a realização de um novo efeito topológico, previsto pela primeira vez em 2017.

Em particular, o novo trabalho é uma demonstração da física topológica quadrupolar. Um quadrupolo é um arranjo de quatro pólos - sumidouros e fontes de campos de força, como cargas elétricas ou os pólos de um ímã. Você pode visualizar um quadrupolo elétrico imaginando cargas em cada canto de um quadrado que alternam positivo-negativo-positivo-negativo conforme você avança ao longo do perímetro.

O fato de que as curvas surgem da física quadrupolar em vez da física dos dipolos - isto é, arranjos de apenas dois pólos - significa um efeito topológico de ordem superior.

Embora o efeito de curva tenha sido observado em sistemas acústicos e de micro-ondas antes, o novo trabalho é a primeira vez que é observado em um sistema óptico, disse o companheiro JQI Mohammad Hafezi, o autor sênior do artigo. "Temos desenvolvido sistemas fotônicos de silício integrados para realizar ideias derivadas da topologia em um sistema físico, "Diz Hafezi." O fato de usarmos componentes compatíveis com a tecnologia atual significa que, se esses sistemas forem robustos, eles possivelmente poderiam ser traduzidos em aplicações imediatas. "

No novo trabalho, a luz laser é injetada em uma grade de ressonadores - loops ranhurados no silício que confinam a luz aos anéis. Ao colocar os ressonadores em distâncias medidas cuidadosamente, é possível ajustar a interação entre ressonadores vizinhos e alterar o caminho que a luz percorre na grade.

O efeito cumulativo é que a luz no meio do chip interfere em si mesma, fazendo com que a maior parte da luz injetada no chip gaste seu tempo nos quatro cantos.

A luz não tem carga elétrica, mas a presença ou ausência de luz em um determinado ressonador fornece um tipo de comportamento polar. Desta maneira, o padrão de ressonadores no chip corresponde a uma coleção de quadrupolos interagindo - precisamente as condições exigidas pela primeira previsão de estados topológicos de ordem superior da matéria.

Para testar seu padrão fabricado, Hafezi e seus colegas injetaram luz em cada canto do chip e, em seguida, capturaram uma imagem do chip com um microscópio. Na luz coletada, eles viram quatro picos brilhantes, um em cada canto do chip.

Para mostrar que a luz encurralada foi capturada pela topologia, e não apenas o resultado de onde eles injetaram os lasers, eles testaram um chip com as duas filas inferiores de ressonadores deslocadas. Isso mudou suas interações com os ressonadores acima, e, pelo menos teoricamente, mudou onde os pontos brilhantes devem aparecer. Eles novamente injetaram a luz nos cantos, e desta vez - exatamente como a teoria previa - os dois pontos brilhantes inferiores apareceram acima das fileiras de ressonadores deslocados e não nos cantos físicos.

Apesar da proteção contra pequenas mudanças no posicionamento do ressonador oferecida pela topologia, um segundo, defeito de fabricação mais destrutivo permanece nesses chips. Uma vez que cada ressonador não é exatamente o mesmo, os quatro pontos de luz nos cantos brilham todos com frequências ligeiramente diferentes. Isso significa que, para o momento, o chip pode não ser melhor do que um único ressonador se usado como fonte de fótons - as partículas quânticas de luz que muitos esperam aproveitar como portadores de informações quânticas em dispositivos e redes futuras.

"Se você tem muitas fontes que são forçadas pela topologia a cuspir fótons idênticos, então você poderia interferir neles, e isso seria uma virada de jogo, "diz Sunil Mittal, o autor principal do artigo e pesquisador de pós-doutorado no JQI. "Espero que este trabalho realmente estimule os teóricos a pensar em talvez procurar modelos que sejam insensíveis a esta desordem persistente nas frequências de ressonador."