Gli isolanti topologici sono stati esotici della materia che i fisici hanno studiato intensamente negli ultimi dieci anni. La loro caratteristica più intrigante è che possono essere rigorosamente distinti da tutti gli altri materiali utilizzando un concetto matematico noto come "topologia". Questa proprietà matematica conferisce agli isolanti topologici la capacità di trasportare segnali elettrici senza dissipazione, tramite stati quantistici speciali chiamati "stati di superficie topologici".

Però, gli isolanti topologici non devono essere realizzati solo con gli elettroni. I fisici hanno anche ideato isolanti topologici fotonici, materiali sintetici che impartiscono onde luminose con caratteristiche topologiche distinte, permettendo alla luce (piuttosto che alle correnti elettriche) di fluire attraverso stati di superficie topologici. A differenza degli isolanti topologici elettronici, gli isolanti topologici fotonici possono funzionare facilmente a temperatura ambiente, tra gli altri vantaggi. Di conseguenza, gli isolanti topologici fotonici potrebbero avere applicazioni in futuri dispositivi ottici, come laser ad alta potenza e diodi ottici.

Un team di ricercatori della Nanyang Technological University (NTU), Singapore, e l'Università di Zhejiang, Cina, ha annunciato lo sviluppo del primo isolante topologico fotonico tridimensionale (3D) al mondo. In un articolo che sarà pubblicato in un prossimo numero di Natura , il team riferisce che una serie di risonatori 3D appositamente progettati può fungere da isolante topologico per le microonde. Hanno osservato prove inequivocabili per gli stati di superficie topologici caratteristici, sotto forma di microonde che scorrono senza sforzo lungo fogli 2-D incorporati nel volume 3-D del loro campione.

"I ricercatori precedenti sono stati in grado di realizzare isolanti topologici fotonici bidimensionali. Ma nonostante molte proposte teoriche nel corso degli anni, nessuno era stato in grado di realizzare una versione 3D, " afferma il Professore Associato Baile Zhang di NTU, che ha co-diretto il progetto. Egli osserva che gli isolanti topologici 3-D hanno importanti capacità, inclusa la capacità di incanalare gli stati topologici della superficie lungo tutte le possibili direzioni spaziali. In uno dei loro esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato che le microonde possono essere guidate in modo efficiente lungo una superficie 2-D contenente pieghe a zigzag.

Il team ha costruito l'isolante topologico fotonico 3D da una pila di sottili fogli di plastica incorporati con antenne metalliche che agiscono come minuscoli risonatori elettromagnetici. La svolta chiave è stata fatta quando hanno capito come adattare i risonatori per interagire con le onde elettromagnetiche in un modo molto specifico, conferendo alle onde le caratteristiche topologiche desiderate.

"Poiché i fogli sono realizzati con una tecnologia consolidata per la stampa dei circuiti stampati, questo design è economico e semplice da implementare, " spiega il professor Hongsheng Chen dell'Università di Zhejiang, un altro co-supervisore del progetto. "A confronto, altre proposte precedentemente pubblicate nella letteratura scientifica riguardano l'utilizzo di materiali ceramici o magnetici non standard, con cui è molto difficile lavorare se si vuole realizzare un vero dispositivo."

Dottor Yihao Yang, un ricercatore post-dottorato presso NTU che è stato l'autore principale dell'articolo, ha affermato che il team è stato in grado di costruire un caso scientifico convincente costruendo mappe dettagliate di come le onde elettromagnetiche viaggiano all'interno dell'isolante topologico fotonico. "Inserendo con cautela una sonda di campo elettromagnetico nel campione, abbiamo misurato le distribuzioni di campo in tutto il campione. Questo ci ha permesso di ricostruire le "relazioni di dispersione" che servono come firme fisiche degli isolanti topologici, " Egli ha detto.

Professore Associato Yidong Chong, un altro membro del team NTU, osservato che questo lavoro è la prima realizzazione di un isolante topologico 3-D sintetico non basato sul flusso di corrente elettrica. "Questo è un esempio dell'universalità della fisica, " ha detto. "Un fenomeno che sorge in un ambiente, come i materiali quantistici, può essere riprodotto in un altro ambiente, in questo caso un mezzo artificiale per onde elettromagnetiche. L'ingrediente chiave è che obbediscono alle stesse equazioni e concetti teorici." Suggerisce che l'isolante topologico fotonico 3-D può fornire un ambiente interessante per lo studio della fisica fondamentale, poiché gli stati topologici della superficie sono governati dalle stesse equazioni degli elettroni 2-D privi di massa che obbediscono alla teoria della relatività di Einstein.

L'attuale isolante topologico fotonico 3-D è limitato alle onde elettromagnetiche, a frequenze relativamente basse. "Se possiamo scalarlo alle frequenze ottiche, cioè onde di luce visibile, potrebbero esserci applicazioni per la creazione di chip per computer ottici, laser, e tutti i tipi di dispositivi ottici interessanti, " dice il professor Zhang di NTU.