(In alto) Schema di cristalli fotonici costituiti da nanobarre derivate dal reticolo a nido d'ape visto dall'alto, e (in basso) le corrispondenti bande fotoniche. I cristalli fotonici si ottengono dividendo i nanorod vicini più vicini in cluster esagonali, e allargando (a) o restringendo (c) la separazione tra i grappoli esagonali dal reticolo a nido d'ape originale (b), mantenendo la stessa forma e dimensione degli esagoni. In (c), si verifica un'inversione di banda tra le bande p e d fotoniche, che genera caratteristiche topologiche nel sistema. Credito:Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali
I ricercatori WPI-MANA derivano stati fotonici topologici basati esclusivamente sul silicio, che può portare allo sviluppo di nuove funzioni e dispositivi attraverso l'integrazione con l'elettronica a semiconduttore
La topologia è un concetto matematico che descrive il modo di connessione di un oggetto invariante sotto deformazione continua. Recentemente, è stato evidenziato che la topologia può essere definita anche negli stati elettronici dei materiali, e questo fornisce un quadro unificato e utile per i fisici che descrivono le proprietà uniche dei materiali.
Sulla base di un nuovo approccio che hanno soprannominato "nanoarchitettura topologica, " Xiao Hu e Long-Hua Wu, che sono teorici presso il Centro Internazionale di Nanoarchitettura dei Materiali (MANA), Istituto nazionale per la scienza dei materiali (NIMS), ha chiarito un nuovo principio che fa sì che le onde elettromagnetiche, inclusa la luce, si propaghino sul bordo in un cristallo fotonico bidimensionale senza essere disperse.
Era noto che la diffusione della luce da parte di difetti nei cristalli fotonici convenzionali può essere soppressa negli stati fotonici topologici, ma finora erano necessari materiali speciali per creare cristalli fotonici topologici. Però, i ricercatori del MANA hanno scoperto un nuovo principio che rende possibile realizzare un cristallo fotonico topologico semplicemente regolando le posizioni di nanobarre isolanti o semiconduttori in un reticolo a nido d'ape, senza utilizzare alcun materiale speciale o struttura complicata. Quando si formano cluster esagonali regolando le posizioni delle nanobarre, modi elettromagnetici che trasportano spin, che è convenzionalmente specifico per gli elettroni, apparire. Di conseguenza, i ricercatori del MANA hanno teoricamente chiarito che un cristallo fotonico mostra proprietà topologiche quando la separazione tra i cluster esagonali è ridotta rispetto a quella del reticolo a nido d'ape.
Poiché questa nuova proprietà di un cristallo fotonico può essere ottenuta anche da semiconduttori come il silicone e/o il GaN da soli, diverse nuove funzioni sono attese dall'integrazione delle funzioni di elaborazione delle informazioni raggiunte dalla consolidata elettronica dei semiconduttori e dall'eccellente proprietà topologica delle onde elettromagnetiche.
