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(Foco Nanowerk) El campo de la fotónica topológica ha logrado avances notables en la última década, proporcionando una plataforma sólida para estudiar las interacciones luz-materia y permitiendo el desarrollo de nuevos dispositivos ópticos. Sin embargo, la capacidad de controlar y modular las transiciones de fase topológica sigue siendo un desafío importante, especialmente en sistemas no euclidianos.
Los sistemas no euclidianos se refieren a espacios geométricos que no se ajustan a las reglas bien conocidas de la geometría euclidiana, que se basa en planos y líneas rectas. En cambio, estos sistemas pueden involucrar superficies curvas o espacios en los que las líneas paralelas pueden converger o divergir, lo que lleva a una complejidad y riqueza de comportamiento que no están presentes en los espacios euclidianos planos. Esta desviación del marco euclidiano presenta desafíos y oportunidades únicos para manipular la luz de maneras que no son posibles con los sistemas ópticos tradicionales.
Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Pekín y el Instituto de Tecnología de Beijing ha realizado un descubrimiento innovador al demostrar transiciones de fase topológicas controladas por espín en sistemas ópticos no euclidianos utilizando configuraciones innovadoras de anillos de Möbius.
Informaron sus resultados en Límites de la optoelectrónica (“Transición de fase topológica controlada por giro en un espacio no euclidiano”).
La fotónica topológica tiene sus raíces en el estudio de aislantes topológicos, materiales que tienen propiedades electrónicas únicas debido a su topología. Estos materiales tienen un interior aislante pero conducen electricidad en su superficie, lo que da como resultado bordes robustos y protegidos. Los investigadores han intentado aplicar estos principios al campo de la fotónica, con el objetivo de crear sistemas ópticos con propiedades topológicas similares.
Si bien se han logrado avances significativos en la realización de sistemas fotónicos topológicos en geometrías euclidianas, como cristales fotónicos y metamateriales, el estudio de la fotónica topológica no euclidiana sigue siendo un territorio en gran medida inexplorado.
El desafío central en la fotónica topológica no euclidiana radica en la compleja interacción entre la geometría del sistema y sus propiedades topológicas. Los componentes ópticos convencionales, como guías de ondas y resonadores, suelen diseñarse en el espacio euclidiano, donde la curvatura es cero.
Sin embargo, las geometrías no euclidianas caracterizadas por una curvatura distinta de cero introducen complejidad y riqueza adicionales en el comportamiento del sistema. La franja de Möbius, una superficie con un solo lado y un límite, es un excelente ejemplo de geometría no euclidiana que ha capturado la imaginación de científicos y matemáticos por igual.
En su innovador trabajo, el equipo de investigación dirigido por los profesores Xiaoyong Hu y Qihuang Gong aprovechó las propiedades únicas de la banda de Möbius para demostrar transiciones de fase topológicas controladas por espín en sistemas ópticos no euclidianos. La innovación más importante reside en el diseño de una novedosa configuración de anillo de Möbius con un período de 8π y una torsión de π/2. Esta configuración explota el efecto spinlock, en el que los modos eléctrico transversal y magnético transversal de la guía de ondas se convierten entre sí a medida que la luz se propaga a lo largo del anillo de Möbius.
Para comprender la importancia del efecto spinlock, consideremos una analogía sencilla. Imagínese un patinador artístico girando sobre el hielo. Así como la dirección de rotación del patinador se puede controlar cambiando la orientación de sus brazos, el efecto de bloqueo de giro permite a los científicos controlar el comportamiento de la luz manipulando su orientación dentro del anillo de Möbius. Esto permite un nuevo nivel de control sobre la propagación de la luz en estos espacios retorcidos.
Los investigadores utilizaron estos anillos de Möbius del período 8π para construir configuraciones de fibra óptica de cavidad acoplada unidimensional (SSH) y bidimensionales (CROW). Estas configuraciones tienen una propiedad notable: admiten estados de borde topológicos excitados por luz polarizada circularmente de una dirección particular, mientras que prohíben la excitación de modos topológicos por luz de la dirección opuesta. Este comportamiento dependiente del espín abre nuevas posibilidades para controlar y manipular estados topológicos en sistemas ópticos.
El equipo también demostró que la transición de estados de borde topológicos a estados masivos se puede lograr convenientemente controlando la polarización circular de la luz incidente. Esta transición de fase topológica controlada por giro se ha observado tanto en casos hermitianos como no hermitianos, destacando la robustez y versatilidad del enfoque. El caso no hermitiano, en el que se introducen pérdidas y ganancias en el sistema, añade una capa adicional de complejidad y riqueza al comportamiento topológico.
Las implicaciones de este trabajo son de gran alcance. Al explotar el efecto spinlock en configuraciones de anillos de Möbius no euclidianos, los investigadores ahora pueden explorar una nueva dimensión en la fotónica topológica. La capacidad de controlar las transiciones de fase topológicas utilizando el giro de la luz abre interesantes posibilidades para desarrollar dispositivos ópticos robustos y estudiar aspectos fundamentales de las interacciones luz-materia en geometrías no euclidianas.
Este descubrimiento podría, por ejemplo, allanar el camino hacia sistemas de comunicación óptica más seguros y fiables. Al codificar información en los estados topológicos de los bordes dentro de los anillos de Möbius, los datos podrían transmitirse con mayor resistencia a perturbaciones y errores. Esto podría revolucionar industrias como la de las telecomunicaciones y aumentar la velocidad y confiabilidad de la transmisión de datos.
Además, la capacidad de controlar la luz en geometrías no euclidianas podría inspirar nuevos diseños de sensores ópticos y dispositivos de imágenes. Aprovechando las propiedades únicas de los anillos de Möbius, los investigadores podrían desarrollar sensores con sensibilidad y resolución mejoradas, lo que permitiría avances en áreas como la obtención de imágenes biomédicas, la monitorización ambiental y la ciencia de materiales.
El trabajo de Hu, Gong y sus colegas representa un avance significativo en el campo de la fotónica topológica: al cerrar la brecha entre las geometrías no euclidianas y la física topológica, han abierto una nueva frontera en el estudio de las interacciones entre la luz y la materia. La capacidad de controlar las transiciones de fase topológicas utilizando el giro de la luz no solo profundiza nuestra comprensión de los principios físicos fundamentales, sino que también allana el camino para el desarrollo de nuevos dispositivos ópticos con funcionalidad y robustez mejoradas.
A medida que el campo de la fotónica topológica continúa desarrollándose, se espera que la incorporación de geometrías no euclidianas y transiciones de fase controladas por espín desempeñen un papel cada vez más importante. El trabajo de Hu, Gong y su equipo sirve como un faro que guía a los investigadores hacia áreas inexploradas y estimula nuevas vías de investigación. La combinación de topología y geometría en fotónica promete permitir una gran cantidad de descubrimientos científicos y avances tecnológicos en los próximos años.
La demostración de transiciones de fase topológicas controladas por espín en sistemas ópticos no euclidianos marca un hito importante en la búsqueda de aprovechar el poder de la topología para la manipulación y el control de la luz. A medida que los investigadores continúan ampliando los límites de lo que es posible en fotónica topológica, el trabajo de Hu, Gong y sus colegas sin duda servirá como base para futuras exploraciones e innovaciones en este apasionante campo.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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