I ricercatori olandesi di AMOLF e TU Delft hanno visto la luce propagarsi in un materiale speciale senza riflessi. Il materiale, un cristallo fotonico, consiste di due parti che hanno ciascuna un modello di perforazione leggermente diverso. La luce può propagarsi lungo il confine tra queste due parti in un modo speciale:è "topologicamente protetta, " e quindi non rimbalza alle imperfezioni. Anche quando il confine forma uno spigolo vivo, la luce lo segue senza problemi.

"Per la prima volta, abbiamo visto queste affascinanti onde luminose muoversi alla scala tecnologicamente rilevante della nanofotonica, "dice Ewold Verhagen, capogruppo presso AMOLF. I risultati sono disponibili nel numero del 6 marzo di Progressi scientifici .

Isolatori topologici:elettronica speciale

Verhagen e il suo collaboratore Kobus Kuipers di TU Delft si sono ispirati ai materiali elettronici, dove i cosiddetti isolanti topologici formano una nuova classe di materiali dal comportamento notevole. Dove la maggior parte dei materiali sono conduttivi o meno per gli elettroni (il che li rende un isolante), gli isolanti topologici mostrano una strana forma di conduzione. "L'interno di un isolante topologico non consente la propagazione degli elettroni, ma lungo il bordo, gli elettroni possono muoversi liberamente, "dice Verhagen. "È importante che la conduzione è 'topologicamente protetta'; gli elettroni non sono influenzati da disordine o imperfezioni che normalmente li rifletterebbero. Quindi la conduzione è profondamente robusta".

Traduzione in fotonica

Nell'ultimo decennio, gli scienziati hanno cercato di trovare questo comportamento anche per la conduzione della luce. "Volevamo davvero realizzare una protezione topologica della propagazione della luce su scala nanometrica e quindi aprire la porta alla guida della luce sui chip ottici senza che fosse ostacolata dalla dispersione in corrispondenza di imperfezioni e angoli acuti, "dice Verhagen.

Per i loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato cristalli fotonici bidimensionali con due modelli di fori leggermente diversi. Il "bordo" che consente la conduzione della luce è l'interfaccia tra i due modelli di fori. "La conduzione della luce ai margini è possibile perché la descrizione matematica della luce in questi cristalli fotonici può essere descritta da forme specifiche, o più precisamente per topologia, " dice Kuipers. La topologia dei due diversi schemi di fori differisce e proprio questa proprietà consente la conduzione della luce al confine, simile agli elettroni negli isolanti topologici. Poiché la topologia di entrambi i modelli di fori è bloccata, la conduzione della luce non può essere revocata; è 'topologicamente protetto'".

Imaging luce topologica

I ricercatori sono riusciti a visualizzare la propagazione della luce con un microscopio e hanno visto che si comportava come previsto. Inoltre, hanno assistito alla topologia, o descrizione matematica, alla luce osservata. Kuipers dice, "Per queste onde luminose la polarizzazione della luce ruota in una certa direzione, analogo allo spin degli elettroni negli isolanti topologici. La direzione di rotazione della luce determina la direzione in cui questa luce si propaga. Poiché la polarizzazione non può cambiare facilmente, l'onda luminosa può persino fluire intorno agli angoli acuti senza riflettersi o disperdersi, come accadrebbe in una normale guida d'onda.

Rilevanza tecnologica

I ricercatori sono i primi ad osservare direttamente la propagazione della luce topologicamente protetta sulla scala tecnologicamente rilevante dei chip nanofotonici. Utilizzando appositamente chip di silicio e luce di lunghezza d'onda simile a quella utilizzata nelle telecomunicazioni, Verhagen prevede di aumentare le prospettive di applicazione.

"Ora indagheremo se ci sono limiti pratici o fondamentali alla protezione topologica e quali funzionalità su un chip ottico potremmo migliorare con questi principi. La prima cosa a cui stiamo pensando è di realizzare le sorgenti luminose integrate su un chip fotonico più affidabile. Questo è importante in vista di un'elaborazione dei dati efficiente dal punto di vista energetico o "TIC verde"."

Anche, la protezione topologica della luce può essere utile per trasferire in modo efficiente piccoli pacchetti di informazioni quantistiche.