La luce può partecipare a fenomeni peculiari su scala nanometrica. L'esplorazione di questi fenomeni può sbloccare applicazioni sofisticate e fornire informazioni utili sulle interazioni tra onde luminose e altri materiali.

In un recente studio, gli scienziati della Cornell University propongono un nuovo metodo con cui la luce su scala nanometrica può essere manipolata e trasportata. È noto che queste modalità speciali di trasporto della luce si presentano in corrispondenza di interfacce finemente sintonizzate tra nanomateriali leggermente diversi. Minwoo Jung, ricercatore capo di questo studio, illustra questo concetto attraverso una semplice analogia:"Un tubo galleggiante ha un foro nel mezzo, ma un palloncino normale no. Non importa come schiacci il palloncino rotondo, non può essere rimodellato come una ciambella, almeno non senza far scoppiare il palloncino, ricucire la gomma, e re-iniettare l'aria. Così, un tubo e un pallone sono distinti nella loro topologia perché non sono collegati attraverso una deformazione regolare."

Jung spiega inoltre che i fisici sono stati interessati ad incollare due materiali topologicamente distinti uno accanto all'altro in modo che uno di essi agisca come un palloncino e l'altro come un tubo. Ciò significa che, alla loro interfaccia, deve avvenire un processo che colleghi questi due materiali, proprio come il colpire/scoppiare/rilavorare a maglia/re-iniettare da un palloncino a un tubo. Nelle giuste condizioni, questo processo può dare origine a un forte canale per la trasmissione di energia o informazioni lungo l'interfaccia. Poiché questo processo può essere applicato alla luce (che funge da vettore di energia o informazione), questo ramo della fisica è chiamato fotonica topologica.

Jung e il suo team hanno combinato l'affascinante concetto di fotonica topologica con una tecnica innovativa che intrappola la luce in un materiale atomicamente sottile. Questo metodo ha riunito due campi in rapida evoluzione nella fisica applicata e fondamentale:la nanoluce del grafene e la fotonica topologica. Jung dice, "Il grafene è una piattaforma promettente per immagazzinare e controllare la luce su scala nanometrica e potrebbe essere fondamentale nello sviluppo di dispositivi nanofotonici su chip e ultracompatti, come guide d'onda e cavità."

Il team di ricerca ha eseguito simulazioni che coinvolgono un foglio di grafene a strati su un materiale nanomodellato che funge da metagate. Questo metagate a nido d'ape è costituito da un solido strato di materiale con fori di diverse dimensioni, centrata ai vertici degli esagoni. I raggi variabili di questi fori influenzano il modo in cui i fotoni passano attraverso il materiale. Gli scienziati hanno scoperto che "incollare" strategicamente due diversi metagate crea un effetto topologico che confina i fotoni alla loro interfaccia in modo prevedibile, maniera controllabile.

Diverse scelte di design metagate dimostrano la gerarchia dimensionale della topologia del dispositivo. Nello specifico, a seconda della geometria del metagate, la nanoluce può essere fatta fluire lungo i bordi unidimensionali dell'interfaccia topologica o può essere immagazzinata topologicamente in corrispondenza di vertici a dimensione zero (puntiformi). Inoltre, il metagate consente l'accensione e lo spegnimento elettrico di queste guide d'onda o cavità. Tali effetti topologici a batteria possono avvantaggiare l'adozione tecnologica della fotonica topologica in dispositivi pratici.

Il team di Jung è ottimista sul fatto che la combinazione sinergica di nanoluce di grafene e fotonica topologica stimolerà i progressi nelle aree di ricerca pertinenti, come l'ottica, scienze dei materiali, e fisica dello stato solido. Il loro sistema di materiali a base di grafene è semplice, efficiente, e adatto per applicazioni nanofotoniche:un passo avanti nello sfruttamento dell'intero potenziale della luce.