Animazione che mostra un solitone topologico che ruota in senso antiorario. Luce laser che viaggia attraverso le guide d'onda, intricati "fili per luce" intagliati attraverso il vetro, interagisce con se stesso per formare modelli d'onda autosufficienti chiamati solitoni. La rotazione a spirale dei solitoni è una firma della forma specifica delle guide d'onda e un indicatore che il dispositivo è topologico. Credito:Laboratorio Rechtsman, Penn State
È stato dimostrato che la luce laser che viaggia attraverso il vetro finemente microfabbricato interagisce con se stessa per formare modelli d'onda autosufficienti chiamati solitoni. L'intricato design fabbricato nel vetro è un tipo di "isolatore topologico fotonico, "un dispositivo che potrebbe essere potenzialmente utilizzato per rendere più efficienti le tecnologie fotoniche come i laser e l'imaging medico.
Materiali topologici, che hanno ricevuto il premio Nobel nel 2016, hanno la capacità di "proteggere" il flusso delle onde che li attraversa da disordini e difetti indesiderati. Fino ad ora, la nostra comprensione della protezione topologica della luce è stata per lo più limitata alle particelle di luce che agiscono indipendentemente, ma in un nuovo articolo che appare il 22 maggio sulla rivista Scienza , i ricercatori della Penn State riferiscono di aver usato il vetro per mediare l'interazione tra fotoni, osservando direttamente i modelli d'onda fondamentali di questi intricati dispositivi.
"Le persone forse hanno più familiarità con l'elettronica, ma c'è tutto un mondo parallelo di 'fotonica, ' dove ci occupiamo delle proprietà della luce invece degli elettroni, " ha detto Mikael Rechtsman, Downsbrough Early Career Development Professor di fisica alla Penn State, e autore senior del documento. "Ci sono una miriade di applicazioni della fotonica, anche nell'energia solare, fibre ottiche per telecomunicazioni, produzione mediante taglio laser, e lidar, che viene utilizzato, Per esempio, per aiutare a controllare i veicoli autonomi. La protezione topologica offre la promessa di rendere i dispositivi fotonici più efficienti dal punto di vista energetico, accendino, e più compatto."
Il concetto di protezione topologica può essere applicato in ambito elettronico, fotonico, sistemi atomici e meccanici. Nell'elettronica, Per esempio, la protezione topologica può migliorare l'efficienza facendo in modo che gli elettroni fluiscano in modo affidabile attraverso un materiale senza dispersione. Per gli elettroni questa protezione richiede temperature estremamente basse, vicino allo zero assoluto, e molto spesso, un forte campo magnetico esterno, ma con i fotoni, tutti gli esperimenti possono essere eseguiti a temperatura ambiente, e poiché i fotoni non hanno una carica, senza campo magnetico.
Per eseguire i loro esperimenti, i ricercatori fanno brillare un laser attraverso un pezzo di vetro che ha una serie di tunnel estremamente precisi scavati attraverso di esso, ciascuno con un diametro di circa un decimo di quello di un capello umano. I tunnel, chiamate "guide d'onda, " si comportano come fili, concentrando il flusso di luce attraverso di loro. Le guide d'onda nel pezzo di vetro sono disposte in una griglia, formare una schiera, ma il percorso di ciascuna guida d'onda attraverso il vetro non è rettilineo, forse è meglio descritto come serpentino, con colpi di scena progettati dai ricercatori con una geometria che porta alla protezione topologica della luce.
Immagine al microscopio della matrice di guide d'onda scritta al laser (a sinistra) fabbricata in vetro dai ricercatori della Penn State per avere una geometria che porti alla protezione topologica della luce. È stato dimostrato che la luce laser che viaggia attraverso il vetro microfabbricato - lo schema (a destra) mostra i percorsi tridimensionali di quattro guide d'onda nel dispositivo - interagisce con se stessa per formare schemi d'onda autosufficienti chiamati solitoni. Credito:Laboratorio Rechtsman, Penn State
"Abbiamo dovuto costruire la struttura di fabbricazione nel nostro laboratorio per intagliare con precisione le guide d'onda tridimensionali attraverso il vetro, un processo chiamato scrittura laser a femtosecondi, " disse Sebabrata Mukherjee, un ricercatore post-dottorato presso Penn State e primo autore del documento. "La capacità di scrivere guide d'onda tridimensionali è fondamentale per rendere topologico il dispositivo, una proprietà che viene confermata sperimentalmente osservando il flusso di luce unidirezionale "protetto" lungo il bordo del dispositivo."
Attraverso un processo chiamato "effetto Kerr, " le proprietà del vetro sono cambiate a causa della presenza dell'intensa luce laser. Questo cambiamento nel vetro media un'interazione tra i molti fotoni, che di solito non interagiscono, propagazione attraverso l'array. All'aumentare della potenza, la luce collassò in un raggio che non si allargava (cioè, diffrangere), ma piuttosto ruotato in spirali. La rotazione a spirale dei solitoni è una firma della forma specifica delle guide d'onda progettate dai ricercatori e un indicatore che il dispositivo è, infatti, topologico.
"In circostanze normali, i fotoni sono ignari l'uno dell'altro, " ha detto Rechtsman. "Puoi incrociare due raggi laser e nessuno dei due sarà cambiato dall'altro. Nel nostro sistema, siamo stati in grado di far interagire i fotoni e formare solitoni perché l'intensità del laser ha alterato le proprietà del vetro. I fotoni sono diventati "consapevoli" l'uno dell'altro attraverso il cambiamento nel loro ambiente".
I solitoni sono noti per essere le forme d'onda fondamentali in molti sistemi in cui l'interazione è mediata dall'ambiente circostante.
"Capire teoricamente e sondare sperimentalmente i solitoni in sistemi topologici come i nostri array di guide d'onda sarà un ingrediente chiave nell'applicazione della protezione topologica per l'uso pratico nei dispositivi fotonici, soprattutto quelli che richiedono un'elevata potenza ottica, ", ha detto Rechtsman.
