O campo da topologia ou o estudo de como as superfícies se comportam em diferentes dimensões tem influenciado profundamente a compreensão atual da matéria. O principal exemplo é o isolante topológico, que conduz eletricidade apenas na superfície, sendo completamente isolante no interior da massa. Isoladores topológicos se comportam como um metal, ou seja, prata na superfície, mas por dentro, ele se comportaria como vidro. Essas propriedades são definidas usando a condutividade ou fluxo de elétrons mostrando se há uma rodovia ou um bloqueio de estrada para seu movimento. Um dos principais impulsionadores de futuras aplicações para isoladores topológicos está no campo de dispositivos eletrônicos de spin, uma vez que esses elétrons giram em uníssono, todos alinhados uns com os outros enquanto fluem na superfície.

Agora, pesquisadores de engenharia elétrica e de computação propuseram pela primeira vez que essa mesma condutividade eletrônica influencia as propriedades topológicas da luz dentro da matéria atômica.

"Mostramos que pode existir uma nova fase topológica da matéria onde a luz flui apenas na borda do material atômico, mas não dentro dele. Pode haver alguns materiais muito especiais com esta propriedade fotônica única, e isso é o que chamamos de fase giroelétrica quântica da matéria, "disse Zubin Jacob, professor associado de engenharia elétrica e da computação na Purdue University.

Outra propriedade chave que define esta fase da matéria é uma excitação topológica conhecida como "skyrmion fotônico". Em ímãs convencionais, Os spins dos elétrons podem ser vistos como pequenas setas que se alinham ou anti-alinham umas com as outras. Em forte contraste, skyrmions são excitações de giro que mostram um comportamento de rotação exclusivo dos giros (veja a imagem). Eles são extremamente estáveis ​​a estímulos e podem ser explorados para interruptores spintrônicos e memórias. A fase giroelétrica quântica hospeda skyrmions no espaço de energia-momento das ondas fotônicas e pode ser usada como uma arma fumegante dessa fase da matéria.

Esse material pode ser sintetizado por "dopagem, "ou alterando a estrutura atômica, de materiais existentes. Um bom lugar para pesquisar essa fase é em materiais bidimensionais como o grafeno.

Jacob e o estudante de doutorado Todd Van Mechelen são os autores de uma série de quatro artigos publicados em periódicos de pesquisa que expõe a teoria dessa fase da matéria.

A pesquisa foi financiada pelo Programa de Interações de Matéria Luminosa Nascente da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa e pela Fundação Nacional de Ciência.

Pesquisas futuras irão explorar materiais de dopagem 2-D para atingir a fase giroelétrica quântica e investigar como as ondas de luz viajam na borda de um material.