Gli isolanti topologici sono stati un entusiasmante campo di ricerca con un interesse fondamentale e applicazioni pratiche come il trasporto robusto di elettroni e luce, e calcolo quantistico topologico. Il segno distintivo di tali isolanti topologici convenzionali è la presenza di modalità di confine conduttrici che hanno una dimensione inferiore al sistema isolante di massa che li ospita, ad esempio una modalità di bordo unidimensionale al confine di un sistema bidimensionale, o uno stato superficiale bidimensionale al confine di un sistema tridimensionale. Nel 2017, gli scienziati hanno generalizzato questo concetto per prevedere una nuova fase della materia chiamata isolanti topologici di ordine superiore (HOTI), che supportano le "modalità d'angolo", ad es. una modalità zero-dimensionale in un sistema bidimensionale. Da allora, ci sono state diverse dimostrazioni sperimentali di questa nuova fase HOTI, la maggior parte dei quali coinvolge geometrie complicate. Inoltre, questi sistemi precedenti sono fissi, ad es. non si può cambiare o sintonizzare dinamicamente il loro comportamento topologico di ordine superiore una volta che sono stati fabbricati.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , un team di scienziati, guidato dal professor Shanhui Fan della Stanford University, STATI UNITI D'AMERICA, e collaboratori hanno proposto un modo per realizzare tale topologia di ordine superiore e stati d'angolo utilizzando un concetto emergente chiamato "dimensioni sintetiche, ' in strutture più semplici e in modo dinamicamente sintonizzabile. Generalmente, si presume che le particelle come i fotoni e gli elettroni si muovano lungo le tre direzioni:x, yez, o lunghezza, larghezza e profondità. E se si potesse immaginare il moto dei fotoni al di là di queste tre direzioni "reali"? Il team chiama queste direzioni extra di movimento "dimensioni sintetiche".

Per fare questo salto concettuale dalle tre dimensioni reali alle dimensioni sintetiche, sfruttavano le proprietà interne inerenti a tutti i fotoni:la frequenza o il colore della luce, che determina quanta energia trasporta un fotone. Il lavoro precedente del team di Stanford e di altri gruppi ha dimostrato fasi topologiche convenzionali (di primo ordine) utilizzando questo concetto di dimensioni sintetiche, compresi intriganti fenomeni fisici come l'effetto Hall quantistico. Però, la topologia di ordine superiore era rimasta finora al di fuori della portata delle dimensioni sintetiche, sebbene la natura altamente dimensionale degli HOTI si adatti molto bene all'idea di dimensioni sintetiche.

Per costruire l'isolante topologico di ordine superiore, i ricercatori propongono di utilizzare una serie di risonatori ad anello accoppiati tra loro in una disposizione specifica. Ogni risonatore ad anello è essenzialmente un sottile filo di materiale trasparente avvolto su se stesso, tale che un fotone può fare il giro del ciclo molte volte. Una coppia di due risonatori ad anello identici insieme forma una "molecola fotonica, ' proprio come due atomi di idrogeno formano una molecola biatomica. Disponendo più di tali molecole fotoniche lungo una linea, si può formare un isolante topologico di secondo ordine per i fotoni. Proprio come nelle dimensioni reali si può controllare se un fotone si muove a destra oa sinistra (diciamo nella direzione x), il risonatore ad anello può controllare in dimensioni sintetiche se un fotone si sposta verso l'alto o verso il basso in frequenza. Tale movimento in frequenza è ottenuto con un altro componente fotonico chiamato modulatore, un dispositivo che può modificare l'indice di rifrazione del materiale ad alte velocità, rendendoli essenziali per le odierne reti di telecomunicazioni ottiche.

Prossimo, il team prevede come il segno distintivo della topologia di ordine superiore - le modalità d'angolo - può essere visto in questo sistema inviando frequenze specifiche di luce laser nell'insieme di molecole fotoniche. Per queste modalità d'angolo, la luce è confinata all'angolo della struttura bidimensionale costituita da una dimensione reale e una dimensione di frequenza sintetica, e non c'è quasi luce nel resto della struttura.

"Un grande vantaggio delle dimensioni sintetiche è la flessibilità con cui è possibile controllare varie manopole per regolare i parametri del sistema. Controllando la forza e la temporizzazione del segnale elettronico applicato ai modulatori nelle molecole fotoniche, abbiamo mostrato come attivare e disattivare queste modalità d'angolo. In altre parole, puoi cambiare il sistema da una topologia di ordine superiore a una topologia senza, dinamicamente. Questa capacità non ha eguali nei tipici sistemi elettronici o fotonici, "dicono gli autori.

Con dimensioni sintetiche, si può pensare di costruire isolanti topologici ad altissime dimensioni, che sono difficili da costruire o anche solo immaginare nello spazio reale perché viviamo in un mondo tridimensionale. Come esempio, il team costruisce un isolante topologico di quarto ordine in un sistema quadridimensionale, che non è stato previsto prima poiché è al di fuori della portata dello spazio reale tridimensionale.

"Le nostre ricette spiegano come utilizzare le dimensioni sintetiche per implementare fenomeni ad alta dimensionalità molto complicati, compresi isolanti topologici di ordine estremamente elevato e altre fasi esotiche di luce e materia, in sistemi molto più semplici, e controllano dinamicamente le loro proprietà quasi a piacimento. Le realizzazioni sperimentali di questo concetto sono alla portata dell'attuale tecnologia fotonica all'avanguardia, "aggiungono gli scienziati.