I ricercatori del Joint Quantum Institute (JQI) hanno creato il primo chip di silicio in grado di limitare in modo affidabile la luce ai suoi quattro angoli. L'effetto, che deriva dall'interferenza di percorsi ottici, non viene alterato da piccoli difetti durante la fabbricazione e potrebbe eventualmente consentire la creazione di robuste sorgenti di luce quantistica.

Questa robustezza è dovuta alla fisica topologica, che descrive le proprietà dei materiali che sono insensibili a piccoli cambiamenti nella geometria. La svolta della luce, che è stato segnalato il 17 giugno in Fotonica della natura , è la realizzazione di un nuovo effetto topologico, previsto per la prima volta nel 2017.

In particolare, il nuovo lavoro è una dimostrazione della fisica topologica del quadrupolo. Un quadrupolo è una disposizione di quattro poli:pozzi e sorgenti di campi di forza come cariche elettriche o poli di un magnete. Puoi visualizzare un quadrupolo elettrico immaginando cariche su ogni angolo di un quadrato che si alternano positivo-negativo-positivo-negativo mentre percorri il perimetro.

Il fatto che la curvatura derivi dalla fisica del quadrupolo invece che dalla fisica dei dipoli, cioè disposizioni di soli due poli:significa un effetto topologico di ordine superiore.

Sebbene l'effetto di curvatura sia stato osservato in precedenza nei sistemi acustici e a microonde, il nuovo lavoro è la prima volta che viene osservato in un sistema ottico, dice JQI Fellow Mohammad Hafezi, l'autore senior del documento. "Abbiamo sviluppato sistemi fotonici al silicio integrati per realizzare idee derivate dalla topologia in un sistema fisico, " dice Hafezi. "Il fatto che utilizziamo componenti compatibili con la tecnologia attuale significa che, se questi sistemi sono robusti, potrebbero eventualmente essere tradotti in applicazioni immediate."

Nel nuovo lavoro, la luce laser viene iniettata in una griglia di risonatori, anelli scanalati nel silicio che confinano la luce agli anelli. Posizionando i risonatori a distanze accuratamente misurate, è possibile regolare l'interazione tra risonatori vicini e alterare il percorso che la luce compie attraverso la griglia.

L'effetto cumulativo è che la luce nel mezzo del chip interferisce con se stessa, facendo sì che la maggior parte della luce iniettata nel chip passi il suo tempo ai quattro angoli.

La luce non ha carica elettrica, ma la presenza o l'assenza di luce in un dato risonatore fornisce una sorta di comportamento polare. In questo modo, lo schema dei risonatori sul chip corrisponde a un insieme di quadrupoli interagenti, precisamente le condizioni richieste dalla prima previsione degli stati topologici della materia di ordine superiore.

Per testare il loro modello fabbricato, Hafezi e i suoi colleghi hanno iniettato luce in ogni angolo del chip e poi hanno catturato un'immagine del chip con un microscopio. Nella luce raccolta, videro quattro vette luminose, uno ad ogni angolo del chip.

Per mostrare che la luce all'angolo è stata intrappolata dalla topologia, e non semplicemente il risultato di dove hanno iniettato i laser, hanno testato un chip con le due file inferiori di risonatori spostate. Questo ha cambiato le loro interazioni con i risonatori di cui sopra, e, almeno teoricamente, cambiato dove dovrebbero apparire i punti luminosi. Hanno di nuovo iniettato la luce agli angoli, e questa volta, proprio come previsto dalla teoria, i due punti luminosi inferiori sono apparsi sopra le file di risonatori spostati e non agli angoli fisici.

Nonostante la protezione da piccoli cambiamenti nel posizionamento dei risonatori offerta dalla topologia, un secondo, difetto di fabbricazione più distruttivo rimane in questi chip. Poiché ogni risonatore non è esattamente lo stesso, i quattro punti di luce agli angoli brillano tutti con frequenze leggermente diverse. Ciò significa che, per il momento, il chip potrebbe non essere migliore di un singolo risonatore se utilizzato come fonte di fotoni, le particelle quantistiche di luce che molti sperano di sfruttare come vettori di informazioni quantistiche in dispositivi e reti futuri.

"Se hai molte sorgenti che sono costrette dalla topologia a sputare fotoni identici, allora potresti interferire con loro, e questo sarebbe un punto di svolta, "dice Sunil Mittal, l'autore principale dell'articolo e ricercatore post-dottorato presso JQI. "Spero che questo lavoro entusiasmi effettivamente i teorici a pensare forse alla ricerca di modelli insensibili a questo persistente disturbo nelle frequenze di risonanza".