Demostración experimental de disipación topológica en resonadores ópticos.

Ilustración técnica del concepto de disipación topológica en una red de resonadores ópticos multiplex a lo largo del tiempo. Crédito: Nicolle R. Fuller, Savo Studio

Hasta ahora, los físicos han estudiado principalmente las fases topológicas en sistemas acoplados de forma conservadora. Estos son sistemas con una dinámica que no se disipa y un espacio de fase que no se contrae con el tiempo. Están en marcado contraste con los sistemas de dispersión, que son sistemas termodinámicamente abiertos (es decir, que operan fuera del equilibrio termodinámico) caracterizados por dinámicas que pueden disiparse con el tiempo.


Investigadores de Caltech, la Universidad de Stanford y otros institutos de todo el mundo recientemente introdujeron y demostraron experimentalmente fases topológicas en un sistema de doble acoplamiento. Su trabajo fue publicado en Física de la naturalezaPodría ayudar a desarrollar nuevas tecnologías que sean menos propensas a defectos de fabricación.

«Nuestras fases topológicas mutuamente acopladas muestran una topología no intuitiva en disipación Propiedades del sistema: un concepto fundamentalmente nuevo que llamamos disipación topológica”, dijo a Phys.org Alireza Marandi, una de las investigadoras que realizó el estudio. La disipación topológica ofrece una nueva dirección para el estudio de la física topológica y tiene el potencial de inspirar nuevos dispositivos para electrónica, acústica y fotónica de estado sólido que sean inmunes al ruido ambiental y resistentes a los defectos de fabricación. «

Además de mostrar las fases topológicas en un sistema de disipación, Marandi y sus colegas se dieron cuenta de que plataforma beta Puede mejorar el estudio de la física topológica. Más concretamente, utilizaron redes de resonadores multiplexados para crear una plataforma flexible a gran escala para estudiar la fotónica topológica.

“En nuestro trabajo de investigación, mostramos algunas capacidades de la plataforma, por ejemplo, en la misma configuración sin modificaciones de hardware, podemos cambiar Condiciones de borde, cambiando de una red topológica a una red trivial en medio de un experimento y estudiando dinámicas exóticas”, explicó Marandi. Nuestra plataforma es fácilmente escalable a dimensiones más sintéticas y puede implementar herramientas complejas de acoplamiento de largo alcance, proporcionando un modelo sencillo para estudiar física en redes densamente conectadas y en cuatro o más dimensiones”.

La plataforma diseñada por Marandi y sus colegas consiste en una red de resonadores ópticos, unidos por enlaces de «dispersión». Esencialmente, esto significa que cada uno de los caminos que conectan los resonadores pueden filtrar algunos fotones y hacerlos salir de la red, dependiendo de cómo interfiere la luz en la comunicación con la luz en los resonadores (por ejemplo, constructivamente o destructivamente). En términos más técnicos, la disipación de la red creada por los investigadores depende de su supermodo y de cuán excitado esté este supermodo.

Demostración experimental de disipación topológica en resonadores ópticos.

Christian Lefmans (izquierda) y Alireza Marandi (derecha), de pie junto al montaje experimental. Crédito: A. Marandi.

«Hemos demostrado analíticamente que en una red puramente acoplada, cuando la red representa una red, una red topológica en nuestro caso, las tasas de disipación de los modos serán equivalentes a los rangos de energía de la red y podemos observar los comportamientos topológicos en esas disipaciones. tasas», dijo Marandi. «Por ejemplo, en un caso particular, podemos observar que el factor de calidad del hipermodo de la red estará topológicamente protegido contra perturbaciones en la red».

La plataforma creada por Marandi y sus colegas se fabricó con componentes estándar basados ​​en fibra óptica y se alimentó con un láser de pulso corto. Para programar la máquina óptica y adaptarla a una red específica, los investigadores utilizaron un FPGA, que es un circuito de hardware utilizado para realizar operaciones lógicas.

Los resultados obtenidos por este equipo de investigadores podrían sentar las bases para más estudios teóricos y experimentos centrados en fases topológicas en sistemas disipativos. Además, la fase topológica doble recíproca demostrada por los investigadores también podría ser relevante para otras áreas de la física, incluida la física de la materia condensada, la fotónica y el estudio de átomos ultrafríos.

“Las fases topológicas mutuamente acopladas se caracterizan por fuertes estados topológicos con tasas de disipación aisladas”, dijo Marandi. «Esta propiedad también proporciona una nueva forma de diseñar la dispersión del sistema y podría ser útil para diseñar dispositivos como memorias cuánticas, sensores ópticos y amplificadores topológicos».

En el futuro, el trabajo reciente de Marandi y sus colegas también puede ser útil para los equipos que se centran en un área de investigación relativamente nueva, la física topológica no jerárquica. De hecho, las propiedades disipativas de las fases topológicas reveladas se pueden combinar con las ganancias y pérdidas observadas en sistemas no jerárquicos para lograr nuevos efectos topológicos. Estos efectos, a su vez, podrían permitir el desarrollo de un láser nuevo, potente y extremadamente potente.

“Ahora planeamos estudiar la física fundamental que está habilitada por la flexibilidad y escalabilidad de nuestros dispositivos”, dijo Marandi. «في هذا الاتجاه ، ندرس بعض الديناميكيات الطوبولوجية الغريبة وغير الهرمية التي كانت بعيدة عن متناول المنصات التجريبية السابقة. يرتبط اتجاه البحث الآخر الذي نتبعه بالتطبيقات ، حيث نعتقد أن فكرة التبديد الطوبولوجي يمكن أن تكون موردًا إضافيًا للأنظمة الضوئية. على وجه التحديد ، نقوم حاليًا بالاستفادة Quien es Etapas topológicas Para crear láseres de modo bloqueado y sensores ópticos”.


Fotónica topológica en redes fractales


más información:
Christian Lefmans et al., Disipación topológica en una red de fotorresonadores multiplexados a lo largo del tiempo, Física de la naturaleza (2022). DOI: 10.1038 / s41567-021-01492-w

© 2022 Ciencia X Red

La frase: Demo Demo Topological Dissipation in Photoresonators (2022, 21 de marzo) Obtenido el 21 de marzo de 2022 de https://phys.org/news/2022-03-experimental-topological-dissipation-photonic-resonators.html

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