Utilizzando le informazioni sulla topologia, I fisici di Penn hanno scoperto un nuovo modo per creare materiali e dispositivi ottici in grado di rompere la reciprocità ottica, aprendo la strada alla creazione di sistemi "a senso unico" per far viaggiare la luce e consentendo sistemi ottici più efficienti in futuro. Credito:Beverly Zheng
I dispositivi ottici creano, guida, e rilevare le onde elettromagnetiche e includere laser, telescopi, e celle solari. La maggior parte dei materiali utilizzati in questi dispositivi sono impegnativi per determinate applicazioni a causa di un fenomeno noto come reciprocità ottica, una simmetria intrinseca che costringe la luce a viaggiare in modo bidirezionale. Un esempio di una sfida basata sull'applicazione è un laser ad alta potenza, dove la luce retrodiffusa causata dalla reciprocità ottica può danneggiare lo strumento.
Un nuovo studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura descrive come la reciprocità ottica può essere interrotta utilizzando le intuizioni della fisica topologica. Stati topologici indotti, infondendo al materiale nuove proprietà, può aiutare a creare sistemi "a senso unico" per far viaggiare la luce, rendendo possibile creare dispositivi ottici più efficienti in futuro. La ricerca è stata guidata dall'assistente professore Bo Zhen e dal postdoc Li He in collaborazione con il professor Eugene Mele e gli studenti laureati Zachariah Addison e Jicheng Jin, così come il professor Steven Johnson del MIT.
Mentre ci sono alcuni materiali naturalmente esistenti che possono rompere la reciprocità ottica, questo effetto magneto-ottico è spesso molto debole, e i materiali possono essere utilizzati solo in sistemi statici. Queste limitazioni significano che i materiali sono troppo ingombranti per essere utilizzati su piccoli chip optoelettronici. "E' una barriera tecnica che esiste, " dice Zhen. "Oltre a questo effetto magneto-ottico, ci stiamo chiedendo quali altre possibilità scientifiche possono implementare effetti simili".
Zhen e lui hanno studiato LiNbO 3 , un materiale ottico che può essere trasformato in film sottili e potrebbe essere utilizzato come rivestimento su chip optoelettronici e piccoli dispositivi. Come classe di materiale ottico che i fisici chiamano non lineare, LiNbO 3 può rompere la reciprocità ottica se collocato in un ambiente dinamico, come essere scosso invece di rimanere fermo, o un sistema statico.
I materiali ottici non lineari sono abbastanza comuni; la maggior parte dei puntatori laser in classe ha cristalli ottici non lineari che convertono la luce infrarossa invisibile in luce verde visibile. L'ostacolo affrontato dai ricercatori è che si sa molto poco delle fasi topologiche nei materiali ottici non lineari, soprattutto quando sono in impostazioni dinamiche.
Con l'esperienza dei ricercatori nella fotonica topologica e nello studio dei materiali con applicazioni optoelettroniche, hanno sviluppato una teoria fisica per spiegare cosa succede nei materiali ottici non lineari. A conferma della teoria, Ha condotto esperimenti simulati su cristalli fotonici LiNbO3 e ha scoperto che le fasi topologiche potrebbero essere indotte se il materiale si trovava in un sistema dinamico.
Ma ancora più importante, dicono i ricercatori, queste fasi topologiche sembrano non avere controparti dirette nei sistemi elettronici, che potrebbe portare a caratteristiche uniche in applicazioni future. "Per esempio, potremmo potenzialmente realizzare anche un amplificatore o attenuatore unidirezionale, "dice Lui.
Zhen afferma che un aspetto sottile delle loro scoperte è che forniscono una migliore comprensione della conservazione dell'energia nei sistemi dinamici, che è meno semplice dei sistemi statici. Per esempio, quando i fotoni di luce attraversano un sistema dinamico, il numero di fotoni rimane lo stesso, ma la quantità totale di energia può cambiare quando i fotoni raccolgono o rilasciano energia. Avere una migliore comprensione di cosa è conservato e cosa non lo è nei sistemi dinamici è stato uno dei punti salienti di questa ricerca per Zhen e il suo team.
Essendo uno dei primi articoli a fornire una base per lo studio futuro degli stati topologici nei materiali ottici non lineari, questo lavoro può fornire una guida per futuri lavori teorici, fornendo al contempo un punto di partenza per esperimenti imminenti.
"È davvero l'inizio di un campo molto eccitante, " dice Zhen. "Abbiamo stabilito il quadro teorico sottostante e mostrato che anche se il sistema statico è banale, se lo scuotiamo nel modo giusto, diventa qualcosa di molto interessante."
