Se ha demostrado que la luz láser que viaja a través del vidrio microfabricado adornado interactúa consigo mismo para formar patrones de onda autosostenibles llamados solitones. El intrincado diseño fabricado en el vidrio es un tipo de "aislante topológico fotónico", un dispositivo que podría usarse potencialmentepara hacer que las tecnologías fotónicas como los láseres y las imágenes médicas sean más eficientes.
Los materiales topológicos, que fueron galardonados con el Premio Nobel en 2016, tienen la capacidad de "proteger" el flujo de ondas a través de ellos contra trastornos y defectos no deseados. Hasta ahora, nuestra comprensión de la protección topológica de la luz se ha limitado principalmente a partículas dela luz actúa de forma independiente, pero en un nuevo artículo que aparece el 22 de mayo de 2020 en la revista ciencia , los investigadores de Penn State informan que han utilizado el vidrio para mediar la interacción entre fotones, observando directamente los patrones de onda fundamentales de estos intrincados dispositivos.
"La gente tal vez esté más familiarizada con la electrónica, pero hay un mundo paralelo completo de 'fotónica', donde nos preocupan las propiedades de la luz en lugar de los electrones", dijo Mikael Rechtsman, profesor de Física de Desarrollo de Carrera Temprana de Downsbrough en PennEstado y autor principal del artículo: "Existen innumerables aplicaciones de fotónica, incluso en energía solar, fibra óptica para telecomunicaciones, fabricación mediante corte por láser y lidar, que se utiliza, por ejemplo, para ayudar a controlar vehículos autónomos. Protección topológicaofrece la promesa de hacer que los dispositivos fotónicos sean más eficientes, más livianos y más compactos ".
El concepto de protección topológica puede aplicarse en sistemas electrónicos, fotónicos, atómicos y mecánicos. En electrónica, por ejemplo, la protección topológica puede mejorar la eficiencia al hacer que los electrones fluyan de manera confiable a través de un material sin dispersión. Para los electrones esta protección requiere extremadamentetemperaturas frías, cercanas al cero absoluto, y muy a menudo un fuerte campo magnético externo, pero con fotones todos los experimentos se pueden realizar a temperatura ambiente, y porque los fotones no tienen carga, sin un campo magnético.
Para realizar sus experimentos, los investigadores hacen pasar un láser a través de un trozo de vidrio que tiene una serie de túneles extremadamente precisos tallados, cada uno con un diámetro de aproximadamente una décima parte del de un cabello humano. Los túneles, llamados "guías de ondas", "actúan como cables, concentrando el flujo de luz a través de ellos. Las guías de onda en el trozo de vidrio están dispuestas en una cuadrícula, formando una matriz, pero el camino de cada guía de onda a través del vidrio no es recto, quizás esté mejor descritocomo serpentina, con giros y vueltas diseñados por los investigadores con una geometría que conduce a la protección topológica de la luz.
"Tuvimos que construir las instalaciones de fabricación en nuestro laboratorio para tallar con precisión las guías de ondas tridimensionales a través del vidrio, un proceso llamado escritura láser de femtosegundos", dijo Sebabrata Mukherjee, investigador postdoctoral en Penn State y primer autor del artículo."La capacidad de escribir guías de onda tridimensionales es crucial para hacer que el dispositivo sea topológico, una propiedad que se confirma experimentalmente al observar el flujo de luz unidireccional 'protegido' a lo largo del borde del dispositivo".
A través de un proceso llamado "efecto Kerr", las propiedades del vidrio cambian debido a la presencia de luz láser intensa. Este cambio en el vidrio media una interacción entre los muchos fotones, que generalmente no interactúan, propagándose a través dela matriz. A medida que aumentaba la potencia, la luz se colapsó en un haz que no se extendió es decir, difractó, sino que giró en espirales. La rotación en espiral de los solitones es una firma de la forma específica de las guías de onda diseñadaspor los investigadores y un indicador de que el dispositivo es, de hecho, topológico.
"En circunstancias normales, los fotones son ajenos el uno al otro", dijo Rechtsman. "Puede cruzar dos rayos láser y ninguno será cambiado por el otro. En nuestro sistema, pudimos lograr que los fotones interactuaran y formaran solitones porquela intensidad del láser alteró las propiedades del vidrio. Los fotones se volvieron 'conscientes' unos de otros a través del cambio en su entorno ".
Se sabe que los solitones son las formas de onda más fundamentales en muchos sistemas donde la interacción está mediada por el entorno circundante.
"Comprender teóricamente y probar experimentalmente los solitones en sistemas topológicos como nuestros conjuntos de guías de ondas será un ingrediente clave para aplicar la protección topológica para el uso práctico en dispositivos fotónicos, especialmente aquellos que requieren alta potencia óptica", dijo Rechtsman.
La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Naval con el apoyo adicional de la Fundación David y Lucile Packard y la Fundación Charles E. Kaufman.
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Materiales proporcionado por Estado Penn . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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