p Dispositivos ópticos criam, guia, e detectar ondas eletromagnéticas e incluir lasers, telescópios, e células solares. A maioria dos materiais usados ​​nestes dispositivos são desafiadores para certas aplicações devido a um fenômeno conhecido como reciprocidade óptica, uma simetria inerente que força a luz a viajar bidirecionalmente. Um exemplo de desafio baseado em aplicativo é um laser de alta potência, onde a luz retroespalhada causada pela reciprocidade óptica pode danificar o instrumento. p Um novo estudo publicado em Nature Communications descreve como a reciprocidade óptica pode ser quebrada usando insights da física topológica. Estados topológicos induzidos, infundindo o material com novas propriedades, pode ajudar a criar sistemas "unidirecionais" para a luz viajar, tornando possível criar dispositivos ópticos mais eficientes no futuro. A pesquisa foi liderada pelo professor assistente Bo Zhen e o pós-doutorando Li He em colaboração com o professor Eugene Mele e os alunos de pós-graduação Zachariah Addison e Jicheng Jin, bem como o professor Steven Johnson do MIT.

p Embora existam alguns materiais naturalmente existentes que podem quebrar a reciprocidade óptica, este efeito magneto-óptico é frequentemente muito fraco, e os materiais só podem ser usados ​​em sistemas estáticos. Essas limitações significam que os materiais são muito volumosos para serem usados ​​em pequenos chips optoeletrônicos. “É uma barreira técnica que existe, "diz Zhen." Além deste efeito magneto-óptico, estamos perguntando quais outras possibilidades científicas podem implementar efeitos semelhantes. "

p Zhen e ele estudaram LiNbO ₃ , um material óptico que pode ser feito em filmes finos e pode ser usado como um revestimento em chips optoeletrônicos e pequenos dispositivos. Como uma classe de material óptico que os físicos se referem como não linear, LiNbO ₃ pode quebrar a reciprocidade óptica quando colocado em um ambiente dinâmico, como ser sacudido em vez de ficar parado, ou um sistema estático.

p Materiais ópticos não lineares são bastante comuns; a maioria dos ponteiros laser de sala de aula tem cristais ópticos não lineares que convertem luz infravermelha invisível em luz verde visível. O obstáculo enfrentado pelos pesquisadores é que há muito pouco conhecido sobre as fases topológicas em materiais ópticos não lineares, especialmente quando eles estão em configurações dinâmicas.

p Com a experiência dos pesquisadores em fotônica topológica e no estudo de materiais com aplicações optoeletrônicas, eles desenvolveram uma teoria física para explicar o que acontece em materiais ópticos não lineares. Para confirmar a teoria, Ele fez experimentos simulados em cristais fotônicos de LiNbO3 e descobriu que fases topológicas poderiam ser induzidas se o material estivesse em um sistema dinâmico.

p Mais importante, os pesquisadores dizem, essas fases topológicas parecem não ter contrapartes diretas em sistemas eletrônicos, o que pode levar a recursos exclusivos em aplicações futuras. "Por exemplo, poderíamos também alcançar um amplificador ou atenuador unidirecional, "disse Ele.

p Zhen diz que um aspecto sutil de suas descobertas é que elas fornecem uma melhor compreensão da conservação de energia em sistemas dinâmicos, que é menos direto do que sistemas estáticos. Por exemplo, quando os fótons de luz passam por um sistema dinâmico, o número de fótons permanece o mesmo, mas a quantidade total de energia pode mudar à medida que os fótons captam ou liberam energia. Compreender melhor o que é conservado e o que não é nos sistemas dinâmicos foi um dos destaques desta pesquisa para Zhen e sua equipe.

p Como um dos primeiros artigos a fornecer uma base para estudos futuros de estados topológicos em materiais ópticos não lineares, este trabalho pode fornecer orientação para futuros trabalhos teóricos, ao mesmo tempo que fornece um ponto de partida para os próximos experimentos.

p "É realmente o início de um campo muito empolgante, "diz Zhen." Estabelecemos a estrutura teórica subjacente e mostramos que mesmo que o sistema estático seja trivial, se agitarmos da maneira certa, torna-se algo muito interessante. "