Los efectos topológicos, como los que se encuentran en #Cristales cuyas superficies conducen electricidad mientras que su volumen no, han sido un tema apasionante de la investigación de la física en los últimos años y fueron objeto del Premio Nobel de física de 2016.

Esto podría abrir algunos nuevos ámbitos de investigación de física básica, dice el equipo, y podría conducir a nuevos tipos de láser y otras tecnologías.

Los resultados se publican esta semana en la revista Science , en un documento del graduado reciente del MIT Hengyun "Harry" Zhou, el investigador visitante del MIT Chao Peng (profesor de la Universidad de Pekín), el estudiante graduado del MIT Yoseob Yoon, los recién graduados del MIT Bo Zhen y Chia Wei Hsu, el profesor del MIT Marin Soljacic, el profesor de física Francis Wright Davis John Joannopoulos, el profesor de química Haslam y Dewey Keith Nelson y el profesor asistente de desarrollo de carrera Lawrence C. y Sarah W. Biedenharn Liang Fu.

En la mayoría de las investigaciones en el campo de los efectos físicos topológicos, dice Soljacic, los llamados sistemas "abiertos" en términos físicos, estos se conocen como sistemas no hermitianos- no se estudiaron mucho en el trabajo experimental.

Las complejidades involucradas en la medición o el análisis de fenómenos en los que la energía o la materia se pueden agregar o perder a través de la radiación generalmente hacen que estos sistemas sean más difíciles de estudiar y analizar de manera controlada.

Pero en este trabajo, el equipo utilizó un método que hizo accesibles estos sistemas abiertos, y "encontramos propiedades topológicas interesantes en estos sistemas no hermitianos", dice Zhou. En particular, encontraron dos tipos específicos de efectos que son firmas topológicas distintivas de sistemas no hermitianos. Uno de estos es un tipo de banda que denominan un arco de Fermi a granel, y el otro es un tipo inusual de polarización cambiante u orientación de ondas de luz emitidas por el cristal fotónico utilizado para el estudio.

Los cristales fotónicos

Son materiales en los que se fabrican miles de millones de orificios diminutos con una forma muy precisa, lo que hace que la luz interactúe de forma inusual con el material. Tales cristales han sido estudiados activamente por las interacciones exóticas que inducen entre la luz y la materia, que tienen el potencial para nuevos tipos de sistemas de computación basados ​​en la luz o dispositivos emisores de luz. Pero aunque gran parte de esta investigación se ha llevado a cabo utilizando sistemas Hermitian cerrados, la mayoría de las aplicaciones potenciales del mundo real implican sistemas abiertos, por lo que las nuevas observaciones realizadas por este equipo podrían abrir nuevas áreas de investigación, afirman los investigadores.

Los arcos de Fermi

Uno de los fenómenos únicos que el equipo encontró, desafían la intuición común de que los contornos de la energía [VIDEO]son necesariamente curvas cerradas. Se han observado antes en sistemas cerrados, pero en esos sistemas siempre se forman en las superficies bidimensionales de un sistema tridimensional.

En el nuevo trabajo, por primera vez, los investigadores encontraron un arco de Fermi que reside en la mayor parte de un sistema. Este arco de Fermi a granel conecta dos puntos en las direcciones de emisión, que se conocen como puntos excepcionales, otra característica de los sistemas topológicos abiertos.

El otro fenómeno que observaron consiste en un campo de luz en el que la polarización cambia según la dirección de emisión, formando gradualmente una media torsión a medida que uno sigue la dirección a lo largo de un bucle y vuelve al punto de partida. "A medida que rodeas este cristal, la polarización de la luz se da vuelta", dice Zhou.

Esta media torsión es análoga a una tira de Möbius, explica, en la que una tira de papel se tuerce media vuelta antes de conectarlo al otro extremo, creando una banda que tiene un solo lado. Este giro similar a Möbius en la polarización de la luz, dice Zhen, podría, en teoría, conducir a nuevas formas de aumentar la cantidad de datos que podrían enviarse a través de enlaces de fibra óptica.

El nuevo trabajo es "principalmente de interés científico, más que tecnológico", dice Soljacic. Zhen agrega que "ahora tenemos esta técnica muy interesante para investigar las propiedades de los sistemas no hermitianos". Pero también existe la posibilidad de que el trabajo pueda conducir a nuevos dispositivos, incluidos nuevos tipos de láser o dispositivos emisores de luz, dicen.

Los nuevos hallazgos fueron posibles gracias a investigaciones anteriores de muchos de los mismos miembros del equipo, en los que encontraron una forma de utilizar la luz dispersa de un cristal fotónico para producir imágenes directas que revelan los contornos de energía del material, en lugar de tener que calcularlas contornos indirectamente.

"Tuvimos la corazonada" de que ese comportamiento de torsión era posible y podría ser "bastante interesante", dice Soljacic, pero en realidad encontrarlo requería "un poco de búsqueda para averiguar, ¿cómo lo hacemos posible?"

"Quizás el aspecto más ingenioso de este trabajo es que los autores utilizan el hecho de que su sistema necesariamente debe perder fotones [VIDEO], lo que suele ser un obstáculo y una molestia, para acceder a la nueva física topológica", dice Mikael Rechtsman, profesor asistente de física en Pensilvania. Universidad Estatal que no estuvo involucrada en este trabajo. "Sin la pérdida ... esto habría requerido métodos de fabricación en 3-D muy complejos que probablemente no hubieran sido posibles". En otras palabras, dice, la técnica que desarrollaron "les dio acceso a la física bidimensional que convencionalmente se hubiera considerado imposible". #Fisica