Pesquisadores holandeses da AMOLF e da TU Delft viram a luz se propagar em um material especial sem reflexos. O material, um cristal fotônico, consiste em duas partes, cada uma com um padrão ligeiramente diferente de perfurações. A luz pode se propagar ao longo da fronteira entre essas duas partes de uma maneira especial:é "protegida topologicamente, "e, portanto, não se recupera das imperfeições. Mesmo quando o limite forma um canto agudo, a luz o segue sem problemas.

"Pela primeira vez, vimos essas fascinantes ondas de luz se moverem na escala tecnologicamente relevante da nanofotônica, "diz Ewold Verhagen, líder do grupo AMOLF. Os resultados estão disponíveis na edição de 6 de março da Avanços da Ciência .

Isoladores topológicos:eletrônicos especiais

Verhagen e seu colaborador Kobus Kuipers da TU Delft foram inspirados por materiais eletrônicos, onde os chamados isolantes topológicos formam uma nova classe de materiais com comportamento notável. Onde a maioria dos materiais são condutores de elétrons ou não (o que os torna um isolante), isoladores topológicos exibem uma estranha forma de condução. "O interior de um isolante topológico não permite a propagação de elétrons, mas ao longo da borda, elétrons podem se mover livremente, "diz Verhagen." Mais importante, a condução é 'protegida topologicamente'; os elétrons não são afetados por desordens ou imperfeições que normalmente os refletem. Portanto, a condução é profundamente robusta. "

Tradução para fotônica

Na década passada, os cientistas tentaram encontrar esse comportamento também para a condução da luz. "Queríamos realmente realizar a proteção topológica da propagação da luz em nanoescala e, assim, abrir a porta para orientar a luz em chips ópticos sem ser impedida por espalhamento em imperfeições e cantos agudos, "diz Verhagen.

Para seus experimentos, os pesquisadores usaram cristais fotônicos bidimensionais com dois padrões de orifícios ligeiramente diferentes. A 'borda' que permite a condução da luz é a interface entre os dois padrões de orifícios. "A condução de luz na borda é possível porque a descrição matemática da luz nesses cristais fotônicos pode ser descrita por formas específicas, ou mais precisamente por topologia, "Kuipers diz. A topologia dos dois padrões de orifícios diferentes é diferente e precisamente esta propriedade permite a condução de luz na fronteira, semelhantes aos elétrons em isoladores topológicos. Como a topologia de ambos os padrões de furo está bloqueada, a condução da luz não pode ser revogada; é 'protegido topologicamente'. "

Luz topológica de imagem

Os pesquisadores conseguiram imagens de propagação de luz com um microscópio e viram que se comportou como previsto. Além disso, eles testemunharam a topologia, ou descrição matemática, na luz observada. Kuipers diz, "Para essas ondas de luz, a polarização da luz gira em uma determinada direção, análogo ao spin dos elétrons em isoladores topológicos. A direção de rotação da luz determina a direção em que essa luz se propaga. Porque a polarização não pode mudar facilmente, a onda de luz pode até mesmo fluir em torno de cantos agudos sem refletir ou se espalhar, como aconteceria em um guia de ondas regular.

Relevância tecnológica

Os pesquisadores são os primeiros a observar diretamente a propagação da luz protegida topologicamente na escala tecnologicamente relevante dos chips nanofotônicos. Ao usar propositadamente chips de silício e luz de comprimento de onda semelhante ao usado em telecomunicações, Verhagen espera aumentar as perspectivas de aplicativos.

"Agora vamos investigar se existem limites práticos ou fundamentais para a proteção topológica e quais funcionalidades em um chip óptico poderíamos melhorar com esses princípios. A primeira coisa em que estamos pensando é fazer as fontes de luz integradas em um chip fotônico mais confiável. Isso é importante tendo em vista o processamento de dados com eficiência energética ou 'TIC verde'. "

Também, a proteção topológica da luz pode ser útil para transferir pequenos pacotes de informações quânticas de forma eficiente.