16.05.2022 - Universität Rostock

Accionamiento fractal: la falta de volumen da ventaja a los fotones

Investigadores de la Universidad de Rostock han desarrollado un nuevo tipo de material microestructurado que mejora la velocidad de las señales luminosas y las mantiene protegidas de la dispersión. Su descubrimiento será publicado en línea por la revista "Science" el jueves 12 de mayo de 2022.

Los aislantes topológicos fotónicos (PTI) son materiales artificiales que conducen la luz a lo largo de sus bordes, pero impiden que atraviese su interior. Estos "superconductores para fotones" llevan mucho tiempo fascinando al profesor Alexander Szameit, de la Universidad de Rostock. "Desde nuestra primera implementación de un aislante topológico para la luz, hemos explorado cómo se pueden utilizar mejor estos peculiares sistemas", recuerda el jefe del grupo de óptica de estado sólido. Sin embargo, aunque los aislantes topológicos fotónicos pueden "proteger" de la dispersión a la luz que se propaga a lo largo de trayectorias definidas con precisión, su excelente resistencia a las imperfecciones o perturbaciones externas suele tener un coste. "Las estructuras periódicas que solemos utilizar para construir los PTI tienden a ralentizar la luz que deben transportar", explica el primer autor, Tobias Biesenthal, para explicar la motivación de sus experimentos. "Al tratar de protegerlos, estamos cargando las señales con un lastre no deseado".

La solución a la que llegó el equipo de investigadores se basa en el extraño y bello mundo de los llamados fractales. Formalizados por primera vez como concepto matemático por Benoit Mandelbrot en 1967 al tratar de entender por qué la longitud medida de la costa británica gana cientos de kilómetros aparentemente de la nada cuando se utilizan mapas más detallados, estas estructuras abundan en la naturaleza. Por ejemplo, la disposición de las ramitas se asemeja estadísticamente a la forma en que las ramas más grandes se ramifican desde el tronco de un árbol. La autosimilitud a través de las escalas es, por tanto, la base de los fractales, lo que significa que cualquier sección de un sistema reproduce las características del conjunto. A su vez, los fractales "exactos" repiten idénticamente su estructura hasta el infinito. Un ejemplo muy conocido es el triángulo de Sierpinski, que puede obtenerse fácilmente anidando réplicas cada vez más pequeñas de un triángulo equilátero dentro de otro. Paradójicamente, aunque se dibuje en una hoja de papel, esta estructura no cubre ninguna superficie: En cambio, se puede demostrar matemáticamente que cada uno de sus puntos pertenece a una de las aristas del colector.

En estrecha colaboración con socios del Instituto Tecnológico de Israel Technion, en Haifa, y la Universidad de Zhejiang, en China, los científicos de Rostock resolvieron la vieja cuestión de si los aislantes topológicos pueden construirse sin material a granel, y aprovecharon la autosimilitud para aliviar las señales luminosas de su carga. "Como una piedra que salta sobre las olas del mar Báltico, los haces de luz pueden correr a lo largo de los bordes de nuestro material fractal sin ver gran parte de su interior", explica el Dr. Matthias Heinrich, autor principal del trabajo. "La diferencia crucial es que, mientras que una piedra de este tipo pierde su energía con cada rebote y acaba hundiéndose, la luz en un material así está protegida de la dispersión: En principio, podría seguir funcionando indefinidamente".

La exitosa colaboración internacional ha hecho avanzar sustancialmente la investigación fundamental sobre la fotónica topológica. Aunque quedan varios retos formidables hasta que estos conocimientos lleguen a los productos de consumo, el último descubrimiento de los físicos tiene un gran potencial para una amplia gama de aplicaciones innovadoras, como los circuitos fotónicos de alta velocidad protegidos topológicamente y una clase totalmente nueva de materiales sintéticos versátiles.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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