Primo isolante topologico 3D per la luce:una dislocazione a vite consente il trasporto della luce topologicamente protetto in tre dimensioni. Credito:Universität Rostock
I cristalli hanno affascinato gli esseri umani per migliaia di anni con la loro bellezza visiva e le forme eleganti e simmetriche e, più recentemente, con le loro numerose applicazioni tecnologiche. Fondamentalmente, questi materiali si basano su una disposizione altamente regolare dei loro elementi costitutivi più piccoli e le proprietà fisiche dei materiali cristallini dipendono fortemente dalla purezza del loro reticolo sottostante.
Tuttavia, le imperfezioni non sono necessariamente dannose. Ad esempio, una spruzzata di atomi da gruppi adiacenti nella tavola periodica è in grado di trasformare lastre di silicio cristallino altrimenti inerti in potenti processori elettronici che eseguono regolarmente miliardi di operazioni al secondo, nonché celle solari altamente efficienti in grado di raccogliere la luce solare per alimentare loro.
A quanto pare, il concetto di sistemi discreti non si limita ai solidi, poiché la stessa struttura matematica sottostante descrive anche l'evoluzione della luce nei reticoli delle cosiddette guide d'onda.
Questi "fili per la luce" affascinano da molto tempo il Prof. Alexander Szameit dell'Università di Rostock. "Ogni bambino sa che la luce viaggia in linea retta. Nella migliore delle ipotesi, può essere riflessa da uno specchio o deviata di qualche angolo quando entra in un blocco di vetro o passa attraverso una lente", sottolinea il capo del gruppo di ottica a stato solido l'esperienza quotidiana con l'ottica.
"Non smette mai di stupirmi che la luce possa effettivamente essere fissata e tunnel tra traiettorie specifiche come gli elettroni in un cristallo", continua, descrivendo le basi della ricerca del suo gruppo. In questo senso, gli array di guide d'onda possono rispecchiare molte sfaccettature della fisica dello stato solido e persino dare origine a effetti completamente nuovi e nuove strutture funzionali.
Per la loro ultima svolta, i fisici di Rostock hanno collaborato con i colleghi del Technion Haifa (Israele) e dell'Università di Zhejiang (Cina) per costruire un materiale ottico artificiale fino ad allora sfuggente:un isolante topologico tridimensionale (TI) per la luce.
"Gli isolanti topologici sono una nuova fase della materia e sono noti solo da un paio di decenni", afferma l'autore Dr. Lukas Maczewsky. "Le loro controparti fotoniche possono guidare la luce attorno ai difetti e agli angoli acuti e proteggerla dalla dispersione nel processo".
Tuttavia, la luce si muove a velocità incredibili e le piattaforme fotoniche convenzionali in genere devono sacrificare almeno una delle tre dimensioni spaziali per controllare il comportamento della luce nelle restanti. Di conseguenza, i precedenti esperimenti sui TI fotonici erano limitati a disposizioni unidimensionali e planari.
L'elegante soluzione che il team di ricercatori ha escogitato per superare questi limiti combina il concetto di dimensioni sintetiche con un tipo specifico di difetto, una cosiddetta "dislocazione della vite". Questo difetto opportunamente posizionato collega continuamente i singoli piani del reticolo ruotandoli attorno ad un asse centrale simile a un cavatappi. Coautore e Ph.D. lo studente Julius Beck spiega che "come trasformare una pila sciolta di anelli in una spirale perfettamente collegata, questo difetto intenzionale ci ha permesso di creare il primo isolante topologico 3D per la luce".
La ricerca è stata pubblicata su Natura . + Esplora ulteriormente
