Dispositivi fotonici più economici ed efficienti, come laser, fibre ottiche, e altre sorgenti luminose possono essere possibili con luce confinata che non è influenzata da imperfezioni nel materiale che la confina, secondo nuove ricerche. Un team di fisici della Penn State, l'Università di Pittsburgh, e l'Università dell'Illinois hanno dimostrato in un esperimento di prova che possono contenere la luce in modo tale da renderla altamente insensibile ai difetti che potrebbero essere presenti in un materiale. I risultati della ricerca appaiono online il 4 giugno 2018 sulla rivista Fotonica della natura .

"La tecnologia fotonica prevede la generazione, trasmissione, e manipolazione della luce ed è usato ubiquitariamente in tutti i settori, " ha detto Mikael Rechtsman, il Downsbrough Early Career Assistant Professor of Physics alla Penn State e il leader del gruppo di ricerca. "È alla base della rete in fibra ottica che costituisce lo scheletro di Internet, celle solari utilizzate nella generazione di energia sostenibile, e laser ad alta potenza utilizzati nella produzione, tra molte altre applicazioni. Trovare un modo per confinare e manipolare la luce in modo che sia insensibile ai difetti potrebbe avere un enorme impatto su questa tecnologia".

Per confinare la luce, i ricercatori hanno utilizzato una complessa struttura reticolare composta da "guide d'onda" scolpite con precisione nel vetro. Queste guide d'onda si comportano come fili, ma per la luce invece dell'elettricità. In questa struttura, la luce entra da un'estremità della guida d'onda e rimane intrappolata e confinata mentre si propaga in avanti attraverso i fili. Là, la luce intrappolata diventa immune alle imperfezioni nelle posizioni delle guide d'onda, e quindi possono essere tollerate significative imperfezioni nella struttura.

"La luce diventa insensibile a causa del fenomeno della 'protezione topologica', " ha detto Rechtsman. "Questo concetto è stato ampiamente utilizzato nel contesto della fisica elettronica dello stato solido. La struttura della guida d'onda è un analogo fotonico dei cosiddetti 'isolatori cristallini topologici, ' e questa forma di protezione topologica può essere potenzialmente utilizzata su una vasta gamma di dispositivi fotonici, anche nei laser su nanoscala, fibre ottiche non lineari specializzate, e per un accoppiamento robusto e preciso tra fotoni ed elettroni per manipolare le informazioni quantistiche".

Confinare la luce in questo modo potrebbe rendere molti dispositivi fotonici allo stesso tempo più economici da produrre e più efficienti. Oltre a questo, questo è un esempio dell'uso potenzialmente interdisciplinare, che unisce fotonica ed elettronica a stato solido, della protezione topologica e dimostra l'ampia applicabilità di questo fenomeno oltre la sua concezione nella fisica elettronica dello stato solido.

"Nella fotonica, è estremamente importante riuscire a intrappolare la luce e confinarla in spazi molto piccoli, " ha detto Rechtsman. "Comprime la quantità massima di potenza ottica nella più piccola area o volume all'interno di un materiale, facendolo interagire più fortemente con il materiale, e quindi è più efficiente in qualunque cosa sia destinata a fare. Una delle maggiori difficoltà nel fare ciò è stata che un forte confinamento porta con sé un'estrema sensibilità a qualsiasi imperfezione del materiale, che spesso possono inibire l'efficienza o rendere il dispositivo molto costoso da fabbricare. I nostri risultati suggeriscono che possiamo superare questa difficoltà".