Introuzione

I ricercatori di AMOLF e TU Delft hanno visto la luce propagarsi in un materiale speciale senza soffrire di riflessi. Il materiale, un cristallo fotonico, è costituito da due parti che hanno ciascuna uno schema di perforazioni leggermente diverso. La luce può propagarsi lungo il confine tra queste due parti in un modo speciale: è “topologicamente protetta” e, pertanto, non ripropone imperfezioni. Anche quando il confine forma un angolo acuto, la luce lo segue senza problemi. “Per la prima volta, abbiamo visto queste affascinanti onde luminose muoversi sulla scala tecnologicamente rilevante della nanofotonica“, afferma Ewold Verhagen, capogruppo dell’AMOLF. 

I risultati sono stati pubblicati il ​​6 marzo sulla rivista scientifica Science Advances.

Isolanti topologici: l’elettronica speciale

Immagine al microscopio elettronico di cristalli fotonici topologici in una lastra perforata di silicio. Le strutture di cristallo superiore e inferiore differiscono leggermente; lungo il confine tra due parti (linea tratteggiata) si può guidare la luce. La diversa descrizione matematica (topologia) dei campi di luce nei due cristalli prescrive che il loro confine deve condurre la luce; tale conduzione è quindi “protetta topologicamente”. Credits: Amolf.

Verhagen e il suo collaboratore Kobus Kuipers del TU Delft sono stati ispirati dai materiali elettronici, in cui i cosiddetti isolanti topologici formano una nuova classe di materiali con un comportamento notevole. Laddove la maggior parte dei materiali è conduttiva o meno per gli elettroni (il che li rende un isolante), gli isolanti topologici mostrano una strana forma di conduzione. “L’interno di un isolante topologico non consente la propagazione di elettroni, ma lungo il bordo gli elettroni possono muoversi liberamente“, afferma Verhagen. “È importante sottolineare che la conduzione è” protetta topologicamente “; gli elettroni non sono influenzati da disordini o imperfezioni che normalmente li rifletterebbero. Quindi la conduzione è profondamente solida“.

Traduzione alla fotonica

Nell’ultimo decennio, gli scienziati hanno tantato di trovare questo comportamento anche per la conduzione della luce. “Volevamo davvero realizzare la topological protection della propagazione della luce su scala nanometrica e quindi aprire la porta alla direzione della luce sui chip ottici senza che ciò venisse ostacolato dalla dispersione di imperfezioni“, afferma Verhagen. 

Per i loro esperimenti, i ricercatori hanno usato cristalli fotonici bidimensionali con due modelli di fori leggermente diversi. Il “bordo” che consente la conduzione della luce è l’interfaccia tra i due modelli di fori. “La conduzione della luce ai margini è possibile perché la descrizione matematica della luce in questi cristalli fotonici può essere descritta da forme specifiche, o più precisamente dalla topologia“, afferma Kuipers. 

La topologia dei due diversi schemi di fori differisce ed è questa proprietà che consente la conduzione della luce sul confine, analogalmente agli elettroni degli isolanti topologici. Poiché la topologia di entrambi i modelli di fori è bloccata, la conduzione della luce non può essere revocata; è “topologicamente protetto“. “

Luce topologica di imaging

I ricercatori sono riusciti a propagare la luce con un microscopio e hanno visto che si comportava come previsto. Kuipers: “Per queste onde di luce la polarizzazione della luce ruota in una certa direzione, analoga allo spin degli elettroni negli isolanti topologici”. 

La direzione di rotazione della luce determina la direzione in cui questa luce si propaga. Poiché la polarizzazione non può cambiare facilmente, l’onda di luce può persino fluire intorno agli angoli acuti senza riflettersi o disperdersi, come accadrebbe in una normale guida d’onda.

Rilevanza tecnologica

I ricercatori sono i primi ad osservare direttamente la propagazione della luce protetta topologicamente sulla scala tecnologicamente rilevante dei chip nanofotonici. Utilizzando di proposito i chip di silicio e la luce di una lunghezza d’onda simile a quella utilizzata nelle telecomunicazioni, Verhagen prevede di aumentare le prospettive di applicazione. 

Ora esamineremo se esistono limiti pratici o fondamentali alla protezione topologica e quali funzionalità su un chip ottico potremmo migliorare con questi principi. La prima cosa a cui stiamo pensando è rendere più affidabili le sorgenti luminose integrate su un chip fotonico. Ciò è importante in vista dell’elaborazione efficiente dei dati o delle “green ICT”. Inoltre, per trasferire in modo efficiente piccoli pacchetti di informazioni quantistiche, può essere utile la protezione topologica della luce” ha affermato Verhagen.

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