Il campo della topologia o lo studio del comportamento delle superfici nelle diverse dimensioni ha profondamente influenzato l'attuale comprensione della materia. Il primo esempio è l'isolante topologico, che conduce elettricità solo in superficie pur essendo completamente isolante all'interno della massa. Gli isolanti topologici si comportano come un metallo, cioè., argento in superficie, ma dentro, si comporterebbe come il vetro. Queste proprietà sono definite utilizzando la conduttività o il flusso di elettroni che descrivono se esiste un'autostrada o un blocco stradale per il loro movimento. Uno dei principali driver delle future applicazioni per gli isolanti topologici è nel campo dei dispositivi elettronici di spin poiché questi elettroni ruotano all'unisono, tutti allineati tra loro mentre scorrono in superficie.

Ora i ricercatori di ingegneria elettrica e informatica hanno proposto per la prima volta che questa stessa conduttività elettronica influenza le proprietà topologiche della luce all'interno della materia atomica.

"Abbiamo dimostrato che può esistere una nuova fase topologica della materia in cui la luce scorre solo sul bordo del materiale atomico ma non al suo interno. Potrebbero esistere dei materiali molto speciali con questa proprietà fotonica unica, ed è quello che chiamiamo la fase giroelettrica quantistica della materia, " disse Zubin Jacob, professore associato di ingegneria elettrica e informatica alla Purdue University.

Un'altra proprietà chiave che definisce questa fase della materia è un'eccitazione topologica nota come "skyrmion fotonico". Nei magneti convenzionali, gli spin degli elettroni possono essere pensati come minuscole frecce che si allineano o si anti-allineano l'una con l'altra. In netto contrasto, gli skyrmion sono eccitazioni di spin che mostrano un comportamento di rotazione unico degli spin (vedi immagine). Sono estremamente stabili agli stimoli e possono essere sfruttati per interruttori spintronici e memorie. La fase giroelettrica quantistica ospita skyrmioni nello spazio energia-impulso delle onde fotoniche e può essere usata come una firma fumante di questa fase della materia.

Tale materiale potrebbe essere sintetizzato mediante "doping, "o alterando la struttura atomica, di materiali esistenti. Un buon posto per cercare questa fase è nei materiali bidimensionali come il grafene.

Jacob e il dottorando Todd Van Mechelen sono autori di una serie di quattro articoli pubblicati su riviste di ricerca che espongono la teoria di questa fase della materia.

La ricerca è stata finanziata dal Nascent Light-Matter Interactions Program della Defense Advanced Research Projects Agency e dalla National Science Foundation.

La ricerca futura esplorerà il drogaggio di materiali 2-D per ottenere la fase giroelettrica quantistica e studierà come le onde luminose viaggiano sul bordo di un materiale.