Os cristais encantam os humanos há milhares de anos com sua beleza visual e formas simétricas elegantes e, mais recentemente, com suas inúmeras aplicações tecnológicas. Fundamentalmente, esses materiais são baseados em um arranjo altamente regular de seus menores elementos constituintes, e as propriedades físicas dos materiais cristalinos dependem fortemente da pureza de sua rede subjacente.
No entanto, as imperfeições não são necessariamente prejudiciais. Por exemplo, uma aspersão de átomos de grupos adjacentes na tabela periódica é capaz de transformar placas inertes de silício cristalino em poderosos processadores eletrônicos que executam rotineiramente bilhões de operações por segundo, bem como células solares altamente eficientes capazes de coletar luz solar para alimentar eles.

Como se vê, o conceito de sistemas discretos não se limita aos sólidos, uma vez que a mesma estrutura matemática subjacente também descreve a evolução da luz nas redes dos chamados guias de onda.

Esses "fios para luz" fascinam o Prof. Alexander Szameit da Universidade de Rostock há muito tempo. "Toda criança sabe que a luz viaja em linhas retas. Na melhor das hipóteses, pode ser refletida em um espelho ou desviada por algum ângulo ao entrar em um bloco de vidro ou passar por uma lente", destaca o chefe do grupo de óptica de estado sólido. a experiência do dia-a-dia com a óptica.

"Nunca deixa de me surpreender que a luz possa realmente ser fixada e fazer um túnel entre trajetórias específicas, como elétrons em um cristal", continua ele, descrevendo a base da pesquisa de seu grupo. Nesse sentido, matrizes de guias de onda podem espelhar muitas facetas da física do estado sólido e até mesmo dar origem a efeitos inteiramente novos e novas estruturas funcionais.

Para seu mais novo avanço, os físicos de Rostock se uniram a colegas da Technion Haifa (Israel) e da Universidade de Zhejiang (China) para construir um material óptico artificial até então indescritível:um isolante topológico tridimensional (TI) para a luz.

"Os isolantes topológicos são uma nova fase da matéria e só são conhecidos há algumas décadas", diz o autor Dr. Lukas Maczewsky. “Suas contrapartes fotônicas podem guiar a luz em torno de defeitos e cantos afiados e protegê-la de ser espalhada no processo”.

No entanto, a luz se move a velocidades incríveis, e as plataformas fotônicas convencionais normalmente precisam sacrificar pelo menos uma das três dimensões espaciais para controlar o comportamento da luz nas restantes. Consequentemente, experimentos anteriores em TIs fotônicos foram restritos a arranjos unidimensionais e planares.

A solução elegante que a equipe de pesquisadores apresentou para superar essas limitações combina o conceito de dimensões sintéticas com um tipo específico de defeito - o chamado "deslocamento de parafuso". Este defeito criteriosamente colocado conecta continuamente os planos individuais da treliça, torcendo-os em torno de um eixo central semelhante a um saca-rolhas. Co-autor e Ph.D. O estudante Julius Beck explica que "como transformar uma pilha solta de anéis em uma espiral perfeitamente conectada, esse defeito intencional nos permitiu criar o primeiro isolante topológico 3D para a luz".

A pesquisa foi publicada na Nature . + Explorar mais

Fotônica topológica em redes fractais