A luz pode participar de fenômenos peculiares em nanoescala. Explorar esses fenômenos pode desbloquear aplicativos sofisticados e fornecer informações úteis sobre as interações entre as ondas de luz e outros materiais.

Em um estudo recente, cientistas da Cornell University propõem um novo método pelo qual a luz em nanoescala pode ser manipulada e transportada. Esses modos especiais de transporte de luz são conhecidos por surgir em interfaces perfeitamente ajustadas entre nanomateriais ligeiramente diferentes. Minwoo Jung, pesquisador líder neste estudo, ilustra esse conceito por meio de uma analogia simples:"Um tubo flutuante tem um orifício no meio, mas um balão normal não. Não importa como você aperta o balão redondo, não pode ser remodelado como um donut - pelo menos não sem estourar o balão, re-tricotando a borracha, e reinjetar o ar. Assim, um tubo e um balão são distintos em sua topologia porque não estão conectados por uma deformação suave. "

Jung explica ainda que os físicos estão interessados ​​em colar dois materiais topologicamente distintos lado a lado, de modo que um deles atue como um balão e o outro como um tubo. Isso significa que, em sua interface, um processo que conecta esses dois materiais deve ocorrer, muito parecido com cutucar / estourar / re-tricotar / reinjetar de um balão em um tubo. Sob as condições certas, esse processo pode dar origem a um canal forte para a transmissão de energia ou informações ao longo da interface. Como esse processo pode ser aplicado à luz (que atua como portadora de energia ou informação), este ramo da física é denominado fotônica topológica.

Jung e sua equipe combinaram o conceito fascinante de fotônica topológica com uma técnica inovadora que captura a luz em um material atomicamente fino. Este método reuniu dois campos emergentes rapidamente na física aplicada e fundamental:o grafeno nanolight e a fotônica topológica. Jung diz, "O grafeno é uma plataforma promissora para armazenar e controlar a luz em nanoescala e pode ser a chave no desenvolvimento de dispositivos nanofotônicos ultracompactos e on-chip, como guias de ondas e cavidades. "

A equipe de pesquisa fez simulações envolvendo uma folha de grafeno em camadas de um material nanopadronizado que funciona como uma metagata. Este metagato em forma de favo de mel consiste em uma camada sólida de material com orifícios de tamanhos diferentes, centralizado nos vértices dos hexágonos. Os raios variáveis ​​desses buracos afetam a maneira como os fótons passam pelo material. Os cientistas descobriram que "colar" estrategicamente dois metagatos diferentes cria um efeito topológico que confina os fótons em sua interface de uma forma previsível, maneira controlável.

Diferentes escolhas de designs de metagate demonstram a hierarquia dimensional da topologia do dispositivo. Especificamente, dependendo da geometria do metagate, O nanolight pode fluir ao longo das bordas unidimensionais da interface topológica ou pode ser armazenado topologicamente em vértices de dimensão zero (semelhantes a pontos). Além disso, o metagate permite a comutação elétrica liga e desliga desses guias de ondas ou cavidades. Esses efeitos topológicos operados por bateria podem beneficiar a adoção tecnológica da fotônica topológica em dispositivos práticos.

A equipe de Jung está otimista de que a combinação sinérgica de grafeno nanolight e fotônica topológica estimulará avanços em áreas de pesquisa relevantes, como ótica, ciências materiais, e física do estado sólido. Seu sistema de material baseado em grafeno é simples, eficiente, e adequado para aplicações nanofotônicas:um passo em frente no aproveitamento de todo o potencial da luz.