Nell'ultimo decennio, un nuovo tipo di materiale ha suscitato crescente attrazione:il cosiddetto isolante topologico. Questa classe di materiali presenta una proprietà molto particolare:si comportano come isolanti all'interno, ma contengono stati di conduzione ai loro confini. Poiché questi stati sono "topologicamente" protetti (vedi sotto), gli stati sono molto robusti contro le imperfezioni, e le correnti elettriche possono fluire quasi senza alcuna dissipazione. Ciò rende questi materiali estremamente interessanti per il compito della comunicazione quantistica e dell'informatica quantistica, Per esempio.

Ora il dottor Tao Shi (attualmente Accademia Cinese delle Scienze, Pechino) e il Prof. Ignacio Cirac del Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching, insieme al Prof. Jeff Kimble del California Institute of Technology (Pasadena, STATI UNITI D'AMERICA), hanno sviluppato uno schema dettagliato per un setup sperimentale per realizzare un isolante topologico bidimensionale con reti ottiche classiche ( Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , DOP 10 ottobre 2017). "In questa rete, le modalità fotoniche svolgono il ruolo degli stati elettronici in uno strato a stato solido, " spiega il Dr. Tao Shi. "Preparando modalità fotoniche chirali al confine, potremmo essere in grado di costruire una guida d'onda elettromagnetica unidirezionale, in cui la luce può propagarsi solo in una direzione, mentre è vietata la direzione opposta."

I cristalli allo stato solido sono caratterizzati dalla loro struttura a bande. In caso di isolante, la cosiddetta banda di valenza, in cui tutti gli stati elettronici sono occupati, è separato dalla banda di conduzione da un'ampia zona vietata. Questo, però, vale solo per campioni infiniti. In caso di cristallo o strato confinato, gli stati elettronici sulla superficie o sul bordo, rispettivamente, differiscono da quelli interni, e talvolta emergono nel mezzo della zona proibita. Poiché la forma della struttura a bande è descritta matematicamente da un certo numero topologico, questi sistemi sono chiamati in breve "isolatori topologici".

La chiralità degli stati limite è agganciata allo spin dell'elettrone, ed è quindi protetto dalla simmetria di inversione temporale:un'inversione di direzione implicherebbe un'inversione della direzione di rotazione. Per una certa classe di materiali con un numero topologico "non banale" ciò non è consentito. Perciò, gli stati sono protetti e robusti contro imperfezioni o deformazioni, purché le perturbazioni siano piccole. In una certa classe di isolanti topologici elettronici bidimensionali si può osservare anche il cosiddetto effetto quantum spin Hall (QSH). Intuitivamente, questo effetto descrive il fenomeno per cui gli elettroni con spin diversi sono soggetti a campi magnetici diretti in modo opposto.

Diversamente dagli schemi precedenti, gli scienziati propongono una configurazione fatta di elementi ottici passivi come fibre, divisori di raggio, e lastre d'onda, per cui le perdite del sistema sono ridotte in larga misura. Costruendo i nodi della rete con una cavità "cattiva", cioè una cavità con elevato smorzamento, sono in grado di aumentare drasticamente il bandgap topologico alla scala dell'intervallo spettrale libero. Come conseguenza, le modalità edge sopravvivono nel dominio della frequenza più ampio con una vita utile molto più lunga. Per di più, l'interazione tra la topologia e la non linearità di Kerr induce la generazione di modi spremuti.

"L'analogo ottico di un isolante topologico apre la strada alla costruzione della guida d'onda unidirezionale, " sottolinea il dott. Shi. "A parte questo, il nostro obiettivo finale è realizzare l'effetto Hall quantistico frazionario (FQHE) in questo sistema fotonico. A tal fine, dobbiamo indurre forti interazioni fotone-fotone per mezzo di atomi. Vorremmo anche vedere alcune fasi topologiche esotiche nel sistema fotonico, che possono essere molto diversi da quelli osservati nei sistemi convenzionali di materia condensata."