Rivoluzionare il controllo ottico con stati limite topologici

Sep 12, 2023

La nanofotonica e la topologia hanno guadagnato un notevole interesse grazie alle proprietà uniche che offrono. Un'area di interesse è lo studio degli stati limite topologici (TES). Questi stati hanno catturato l’attenzione diffusa perché sono molto resistenti agli errori e alle imperfezioni. Derivando da fasi topologicamente non banali, i TES forniscono un potente kit di strumenti per la progettazione architettonica di circuiti integrati fotonici. Il trasporto TES ha portato alla scoperta di vari effetti ottici e applicazioni interessanti, tra cui accoppiatori direzionali, guide d'onda unidirezionali, guide d'onda mode-locked e propagazione di pseudospin in array di risonatori ad anello.

Gli scienziati hanno recentemente ampliato i loro sforzi per manipolare i TES esplorando tecniche come la modulazione adiabatica, gli effetti non lineari e l'intreccio complesso. I sistemi ottici hanno dimostrato una serie di fenomeni interessanti, come il trasporto topologico da bordo a bordo e la localizzazione sintonizzabile degli stati topologici. Questi fenomeni racchiudono un immenso potenziale per lo sviluppo di tecnologie e applicazioni all’avanguardia, tra cui il routing dell’energia e delle informazioni, la fotonica non lineare e l’informatica quantistica.

Sebbene i metodi attuali si concentrino sulla manipolazione dei TES, non hanno ancora prestato molta attenzione al miglioramento dell’interazione tra i TES. Migliorando l'accoppiamento tra i TES, i ricercatori possono consentire lo scambio di energia luminosa tra diverse parti di un reticolo topologico, il che può aiutare a controllare il trasporto dei TES in modo più flessibile.

Un gruppo di ricercatori del Laboratorio nazionale di optoelettronica di Wuhan (WNLO) e della Scuola di informazione ottica ed elettronica (OEI) dell’Università di scienza e tecnologia di Huazhong (HUST) in Cina ha recentemente fatto un passo avanti significativo. Come riportato su Advanced Photonics, hanno sviluppato un approccio innovativo per manipolare in modo efficiente il trasporto TES per un commutatore di canale ottico su un chip SOI (silicio su isolante). Il loro studio si è concentrato sulla conversione del canale da bordo a bordo in un reticolo di guida d'onda a quattro livelli utilizzando il modello Landau-Zener (LZ). Sfruttando l'effetto delle dimensioni finite in un reticolo ottico a due celle unitarie, hanno stabilito un metodo alternativo, efficace e dinamico per modulare e controllare il trasporto delle modalità topologiche.

Il reticolo della guida d’onda utilizzato è simile a un materiale 2D chiamato isolante Chern, noto per avere TES. Al diminuire del numero di celle unitarie, i TES evolvono secondo il modello LZ. Applicando il principio di evoluzione a banda singola LZ, i ricercatori sono stati in grado di controllare dinamicamente i TES e ottenere una conversione del canale quasi perfetta.

I dispositivi nanofotonici topologici LZ hanno il potenziale per essere utilizzati in varie altre applicazioni. Possono essere utilizzati come interruttori che funzionano a specifiche lunghezze d'onda della luce. Incorporando la dinamica LZ in diversi sistemi, potrebbe essere possibile creare conversioni di canali chirali. Questo concetto può anche essere esteso a reticoli di guida d'onda più complessi, consentendo dispositivi ancora più avanzati.

I ricercatori hanno scoperto che questi dispositivi ottici LZ topologici sono piuttosto robusti, il che significa che possono funzionare bene anche quando vengono modificati determinati parametri. Ciò apre opportunità per sviluppare dispositivi pratici come interruttori ottici per instradare reti su chip di computer o dispositivi in ​​grado di combinare o separare più segnali in una guida d'onda.

Leggi l'articolo Gold Open Access di B.-C. Xu, B.-Y Xie, L.-H. Xu, et al., "Circuiti nanofotonici topologici Landau-Zener", Adv. Fotone. 5(3), 036005 (2023), doi 10.1117/1.AP.5.3.036005.