In un sistema con una topologia mal definita, il numero di onde di bordo che si propagano verso l'interno verso un punto di giunzione può essere diverso dal numero di onde di bordo che si propagano nella direzione verso l'esterno. La topologia mal definita può essere utilizzata per interrompere bruscamente la propagazione dell'onda in una singolarità topologica con un massiccio miglioramento del campo. Crediti:D. Fernandes e M. Silveirinha, Tecnico Lisboa.
Le idee topologiche hanno recentemente preso il centro della scena dell'elettromagnetismo moderno. I tipici sistemi fotonici topologici si basano su materiali non reciproci, una classe di materiali che consente interazioni asimmetriche luce-materia. In particolare, le piattaforme non reciproche possono supportare canali unidirezionali che consentono la propagazione in una determinata direzione dello spazio, diciamo da sinistra a destra, ma non viceversa. Tali guide unidirezionali sono di fondamentale importanza nei sistemi ottici perché i loro design modulari implicano interazioni unidirezionali che richiedono l'isolamento ottico dei diversi moduli.
Anche se le proprietà topologiche di un materiale sono radicate in concetti matematici astratti, possono essere distillate in un modo fisico semplice. Si consideri il problema dell'interfacciamento di diversi materiali non reciproci, diciamo cinque, ad esempio, in un punto di giunzione, come fette di torta. Tutti i materiali operano in un intervallo di banda di frequenza in cui non supportano la propagazione nelle loro regioni di massa. Tuttavia, ciascuna delle interfacce può supportare un certo numero di stati di bordo unidirezionali, che possono propagarsi verso il punto di giunzione o lontano da esso.
Affermare che un sistema è topologico è un modo sofisticato per dire che, nella situazione descritta dei materiali interfacciati a torta, è impossibile escogitare una costruzione in cui il numero di canali di radiazione in entrata differisca dal numero di canali in uscita. In altre parole, nei sistemi topologici c'è forzatamente un equilibrio tra il numero di canali in entrata e il numero di canali in uscita, analogo alla conservazione della corrente nelle leggi circuitali di Kirchhoff. Infatti, se il numero di canali in entrata e in uscita potesse essere diverso, allora sarebbe possibile escogitare un'eccitazione che trasferisca continuamente energia da una sorgente al punto di giunzione. In una situazione del genere, l'equilibrio termodinamico può essere raggiunto solo se l'energia che arriva alla giunzione viene dissipata sotto forma di calore.
a) Giunzione tra diversi materiali sfusi che condividono un comune gap di banda. In un sistema topologico, il numero di canali edge in entrata e il numero di canali edge in uscita è esattamente lo stesso. b) Un sistema con una topologia mal definita non è vincolato da tale vincolo. La topologia mal definita può essere utilizzata per interrompere bruscamente la propagazione dell'onda in corrispondenza di una singolarità topologica. Crediti:D. Fernandes e M. Silveirinha, Tecnico Lisboa.
Ora, come riportato in Fotonica avanzata , i ricercatori hanno dimostrato che uno scenario così artificioso può essere effettivamente osservato in sistemi fisici realistici. Esplorano il fatto che i sistemi non reciproci con una simmetria di traslazione continua hanno una topologia mal definita. Dimostrano che, contrariamente alla credenza comune, una giunzione di materiali non reciproci non è necessariamente vincolata da alcun vincolo di bilanciamento sul numero di canali in/out.
Il team ha verificato sperimentalmente che, accoppiando due guide d'onda, una con una topologia mal definita e un'altra con una topologia ben definita, è possibile arrestare immediatamente una modalità edge all'incrocio tra le guide d'onda, creando una topologia singolarità. L'onda si ferma nelle sue tracce alla singolarità, che può essere raffigurata come un pozzo di energia in cui tutta l'energia in entrata viene concentrata e infine dissipata in un unico punto nello spazio. Questi entusiasmanti sviluppi suggeriscono un nuovo modo per ottenere singolarità topologiche che presentano fenomeni di onde estreme. Questo può essere utile per la raccolta di energia e per migliorare gli effetti non lineari. + Esplora ulteriormente
