I ricercatori dell'Università di Rostock hanno sviluppato un nuovo tipo di circuito fotonico non lineare in cui fasci di luce intensi possono definire il proprio percorso e, così facendo, rendersi impermeabili alle perturbazioni esterne. Questa scoperta è stata recentemente pubblicata sulla rinomata rivista Scienza .

"I fotoni sono un gruppo indisciplinato, " spiega il professor Alexander Szameit, il cui gruppo ha condotto gli esperimenti pionieristici. "Non appena si riesce a condurli verso un punto preciso nello spazio e nel tempo, immediatamente si disperdono ancora una volta in tutte le direzioni." Infatti, secoli di ricerca sono stati dedicati a modellare il flusso di luce con una serie di mezzi:lenti e specchi curvi possono focalizzare strettamente i raggi del sole. I potenti laser generano raggi coerenti e brevi impulsi di luce intensa. E i cavi in ​​fibra ottica forniscono quantità sbalorditive di dati codificati otticamente attraverso il world wide web. Ancora, le onde luminose sono entità sorprendentemente delicate:una piccola crepa in una lente, un granello di polvere alla deriva attraverso un raggio laser, oppure un attorcigliamento nella fibra può sconvolgere gli intricati meccanismi che trasformano la luce nello strumento forse più versatile mai imbrigliato dall'umanità.

Isolatori topologici elettronici:solidi che non conducono elettricità all'interno della loro massa, ma allo stesso tempo sono perfettamente conduttivi lungo la loro superficie, sono stati realizzati sperimentalmente per la prima volta nel 2007 da Laurens Molenkamp e dal suo team presso l'Università di Würzburg. Le loro controparti fotoniche hanno affascinato a lungo il Prof. Szameit. "Fin dalla nostra prima implementazione di un isolante topologico per la luce, ci siamo sforzati di scoprire come questi particolari sistemi possono essere utilizzati, " ricorda il fisico.

Mentre gli isolanti topologici fotonici possono guidare la luce lungo percorsi definiti con precisione, e il quadro matematico alla base del loro design li dota di un grado di robustezza senza precedenti nei confronti delle imperfezioni o delle perturbazioni esterne, queste proprietà ricercate presentano anche un formidabile ostacolo. "Una volta iniettato in un canale topologico, gli impulsi luminosi non soffrono di perdite per dispersione, ma questo isolamento li rende anche virtualmente impossibili da controllare senza romperli fuori dal loro ambiente protettivo, Il coautore Dr. Matthias Heinrich riassume la sfida attualmente affrontata dalla comunità scientifica.

Certo, su carta, la soluzione può sembrare ovvia. "In linea di principio, è facile. Tutto ciò di cui hai bisogno è un interruttore che puoi azionare a piacimento per cambiare istantaneamente le proprietà topologiche del sistema tra due impulsi di luce, " scherza Szameit. Tuttavia, la topologia è indissolubilmente legata alla disposizione fisica del circuito in guida d'onda, mentre gli impulsi laser ultracorti sono misurati in femtosecondi (un milionesimo di miliardesimo di secondo) - molti ordini di grandezza oltre la portata anche dei modulatori elettronici più veloci.

In stretta collaborazione con i teorici dell'Università di Rostock, l'ICFO di Barcellona, l'Università di Lisbona e l'Istituto di scienza e tecnologia di Mosca, il team di giovani ricercatori ha invece trovato un modo per lasciare che sia la luce stessa a decidere se attivare la protezione topologica o comportarsi come in un mezzo convenzionale. "A seconda della loro intensità di picco, gli impulsi ottici possono comportarsi in modi fondamentalmente diversi, " elabora Lukas Maczewsky, dottorato di ricerca studente e autore principale dell'opera. "Non linearità è la parola magica:nella fotonica, a volte due più due sono davvero più di quattro." Dopo due anni di intense ricerche e innumerevoli ore nei laboratori dell'Istituto di Fisica dell'Università di Rostock, questi sforzi sono andati a buon fine.

L'isolante topologico indotto dalla non linearità, un nuovo materiale sintetico, consente agli impulsi luminosi al di sopra di una certa intensità di soglia di stabilire un dominio topologico transitorio nelle loro immediate vicinanze. Il sedicente fan di "Star Trek" Szameit dipinge un quadro vivido della complessa fisica in gioco:"Proprio come l'Enterprise degli Stati Uniti alza i suoi scudi, il bozzolo protettivo autogenerato segue gli impulsi luminosi e li conserva lungo il percorso prescelto."

La proficua collaborazione internazionale ha sostanzialmente fatto avanzare la scienza fondamentale nel campo dell'ottica quantistica e in particolare la ricerca sugli isolanti topologici fotonici. Fino a quando questi pezzi non potranno essere assemblati in un computer quantistico ottico funzionante, il Santo Graal perseguito da gruppi di tutto il mondo, restano da risolvere diverse sfide. Tuttavia, la più recente scoperta dei fisici è molto promettente per numerose applicazioni innovative come l'elaborazione del segnale completamente ottica topologicamente protetta e le reti neuronali fotoniche auto-miglioranti. Data la rapidità dei progressi, queste idee che oggi possono sembrare fantascienza, potrebbe presto diventare realtà.