Representação esquemática da estrutura que realiza o processo de trança com luz. (a) Estrutura de matriz de guia de ondas, onde a luz é trançada em direções opostas nas duas matrizes, e então interferiu; (b) diagrama que mostra o deslocamento das coordenadas da matriz de guia de ondas necessárias para realizar a operação de trança, onde \ alpha denota o ângulo de um "vórtice no infinito" que é trançado em torno da matriz. Crédito:Noh et al.
A teoria da física sugere que excitações exóticas podem existir na forma de estados ligados confinados na proximidade de defeitos topológicos, por exemplo, no caso de Majorana, modos zero que estão presos em vórtices dentro de materiais supercondutores topológicos. Uma melhor compreensão desses estados pode ajudar no desenvolvimento de novas ferramentas computacionais, incluindo tecnologias quânticas.
Um fenômeno que tem chamado a atenção nos últimos anos é a "trança, "que ocorre quando os elétrons em estados particulares (isto é, Férmions Majorana) são trançados uns com os outros. Alguns físicos teorizaram que este fenômeno poderia permitir o desenvolvimento de um novo tipo de tecnologia quântica, nomeadamente computadores quânticos topológicos.
Pesquisadores da Pennsylvania State University, Universidade da California, Berkeley, Iowa State University, Universidade de Pittsburgh, e a Universidade de Boston testaram recentemente a hipótese de que a trança também ocorre em outras partículas além dos elétrons, como fótons (ou seja, partículas de luz). Em um artigo publicado em Física da Natureza , eles apresentam a primeira demonstração experimental de trança usando modos de zero topológicos fotônicos.
"A ideia foi inspirada por uma arquitetura bem conhecida para a construção de um computador quântico; um que foi teoricamente previsto, mas nunca realizado experimentalmente, "Mikael C. Rechtsman, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Para realizar operações neste tipo de computador quântico previamente teorizado, Os férmions de Majorana são movidos em torno um do outro - isso é chamado de trança. Em um estudo teórico anterior, alguns dos meus colegas previram que a trança é um fenômeno geral que pode ser aplicado não apenas aos elétrons, mas para fótons, também. Em nosso novo jornal, demonstramos isso experimentalmente, usando uma série de guias de ondas semelhantes aos cabos de fibra óptica. "
Rechtsman e seus colegas mediram a fase geométrica do fenômeno da trança conduzindo um experimento em que dois processos de trança diferentes interferiam um com o outro. Em um desses processos, defeitos topológicos foram trançados no sentido horário, enquanto no outro, eles foram trançados no sentido anti-horário.
A interferência é uma característica da mecânica ondulatória frequentemente usada para estudar sistemas físicos. Este recurso é responsável por inúmeros fenômenos relacionados às ondas, variando de redemoinhos de arco-íris em bolhas de sabão a ondas gravitacionais.
"Observamos que a luz dos dois processos de trança opostos interferia destrutivamente, que confirmou nossa previsão teórica de que os processos têm uma fase de trança relativa de pi, "Thomas Schuster, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Crucialmente, devido à ação particularmente simples de trançar, a medição que coletamos nos permite extrapolar o comportamento de qualquer processo de trança. Em particular, ele verifica se, ao realizar várias tranças em uma linha, a ordem das tranças é importante. "
Rechtsman, Schuster e seus colegas demonstraram a existência de um processo de trança generalizável que eles chamam de trança não Abeliana, que é uma simples manifestação de uma característica que os pesquisadores buscam nos sistemas eletrônicos há vários anos. Seus resultados sugerem que a trança pode, na verdade, ser um fenômeno comum que vai além dos elétrons e também se aplica à luz, som, água e potencialmente até ondas sísmicas.
Além de destacar a possibilidade de utilizar redes fotônicas como plataforma para estudar defeitos topológicos e suas tranças, este estudo pode inspirar outras equipes de pesquisa a examinar as tranças no contexto de outros fenômenos que envolvem a produção de ondas. Rechtsman, Schuster e seus colegas agora planejam continuar investigando a trança de modos de zero topológicos fotônicos, junto com outros fenômenos topológicos que também podem ser aplicados a sistemas relacionados à luz.
"A trança é um fenômeno topológico tradicionalmente associado a dispositivos eletrônicos, "Rechtsman disse." Esperamos agora mostrar que toda uma classe de fenômenos topológicos pode ser potencialmente útil não apenas para dispositivos eletrônicos, mas também dispositivos fotônicos, como lasers, dispositivos de imagens médicas, sistemas de telecomunicações, e outros. Também esperamos que este novo tipo de física topológica possa ser aplicado a sistemas de informação quântica, particularmente aqueles baseados em fótons. "
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