Foi demonstrado que a luz do laser viajando através de vidro microfabricado ornamentado interage com ela mesma para formar padrões de onda autossustentáveis ​​chamados solitons. O design intrincado fabricado no vidro é um tipo de "isolante topológico fotônico, "um dispositivo que poderia ser usado para tornar as tecnologias fotônicas, como lasers e imagens médicas, mais eficientes.

Materiais topológicos, que receberam o Prêmio Nobel em 2016, têm a capacidade de "proteger" o fluxo das ondas através deles contra desordens e defeitos indesejados. Até agora, nossa compreensão da proteção topológica da luz tem sido limitada principalmente a partículas de luz agindo de forma independente, mas em um novo artigo que aparece em 22 de maio na revista Ciência , pesquisadores da Penn State relatam que usaram o vidro para mediar a interação entre os fótons, observando diretamente os padrões de onda fundamentais desses dispositivos intrincados.

"As pessoas talvez estejam mais familiarizadas com a eletrônica, mas existe todo um mundo paralelo de 'fotônica, 'onde estamos preocupados com as propriedades da luz em vez dos elétrons, "disse Mikael Rechtsman, Downsbrough Early Career Development Professor of Physics na Penn State, e autor sênior do artigo. "Existem inúmeras aplicações da fotônica, inclusive na energia solar, fibra óptica para telecomunicações, fabricação usando corte a laser, e lidar, que é usado, por exemplo, para ajudar a controlar veículos autônomos. A proteção topológica oferece a promessa de tornar os dispositivos fotônicos mais eficientes em termos de energia, mais leve, e mais compacto. "

O conceito de proteção topológica pode ser aplicado em meio eletrônico, fotônico, sistemas atômicos e mecânicos. Na eletronica, por exemplo, a proteção topológica pode melhorar a eficiência fazendo com que os elétrons fluam de forma confiável através de um material sem espalhamento. Para elétrons, esta proteção requer temperaturas extremamente baixas, quase zero absoluto, e muitas vezes, um forte campo magnético externo, mas com fótons, todos os experimentos podem ser realizados em temperatura ambiente, e como os fótons não têm carga, sem um campo magnético.

Para realizar seus experimentos, os pesquisadores lançam um laser através de um pedaço de vidro que tem uma série de túneis extremamente precisos esculpidos nele, cada um com um diâmetro de cerca de um décimo de um fio de cabelo humano. Os túneis, chamados de "guias de ondas, "agem como fios, concentrando o fluxo de luz através deles. Os guias de ondas no pedaço de vidro são dispostos em uma grade, formando uma matriz, mas o caminho de cada guia de onda através do vidro não é reto - talvez seja melhor descrito como serpentino, com voltas e reviravoltas projetadas pelos pesquisadores com uma geometria que leva à proteção topológica da luz.

"Tivemos que construir a instalação de fabricação em nosso laboratório para esculpir com precisão os guias de ondas tridimensionais através do vidro, um processo chamado gravação a laser de femtossegundo, "disse Sebabrata Mukherjee, pesquisador de pós-doutorado na Penn State e primeiro autor do artigo. "A capacidade de escrever guias de ondas tridimensionais é crucial para tornar o dispositivo topológico, uma propriedade que é confirmada experimentalmente pela observação do fluxo unilateral 'protegido' de luz ao longo da borda do dispositivo. "

Por meio de um processo denominado "efeito Kerr, “as propriedades do vidro são alteradas devido à presença da luz intensa do laser. Essa mudança no vidro medeia uma interação entre os muitos fótons, que geralmente não interagem, propagando-se pela matriz. Conforme o poder foi aumentado, a luz colapsou em um feixe que não se espalhou (ou seja, difratar), mas sim girado em espirais. A rotação em espiral dos solitons é uma assinatura da forma específica dos guias de ondas projetados pelos pesquisadores e um indicador de que o dispositivo é, na verdade, topológico.

"Sob circunstâncias normais, os fótons são alheios uns aos outros, "disse Rechtsman." Você pode cruzar dois feixes de laser e nenhum será alterado pelo outro. Em nosso sistema, conseguimos fazer com que os fótons interajam e formem solitons porque a intensidade do laser alterou as propriedades do vidro. Os fótons tornaram-se 'conscientes' uns dos outros por meio da mudança em seu ambiente. "

Os solitons são conhecidos por serem as formas de onda mais fundamentais em muitos sistemas onde a interação é mediada pelo ambiente circundante.

"Teoricamente, compreender e sondar experimentalmente solitons em sistemas topológicos, como nossas matrizes de guia de ondas, será um ingrediente chave na aplicação de proteção topológica para uso prático em dispositivos fotônicos, especialmente aqueles que requerem alta potência óptica, "disse Rechtsman.