Até agora, os físicos estudaram principalmente fases topológicas em sistemas acoplados de forma conservadora. São sistemas com dinâmicas que não se dissipam e um espaço de fase que não diminui com o tempo. Eles estão em contraste com os sistemas dissipativos, que são sistemas termodinamicamente abertos (ou seja, operando fora do equilíbrio termodinâmico) marcados por dinâmicas que podem se dissipar ao longo do tempo.
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia, da Universidade de Stanford e de outros institutos em todo o mundo introduziram recentemente e demonstraram experimentalmente fases topológicas em um sistema acoplado dissipativamente. Seu artigo, publicado na Nature Physics, poderia, em última análise, informar o desenvolvimento de novas tecnologias que são menos suscetíveis a defeitos de fabricação.
“Nossas fases topológicas acopladas dissipativamente manifestam topologia não trivial nas propriedades de dissipação de um sistema: um conceito fundamentalmente novo que chamamos de dissipação topológica”, disse Alireza Marandi, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. “A dissipação topológica apresenta uma nova direção de estudo para a física topológica e tem o potencial de inspirar novos dispositivos para eletrônica de estado sólido, fonônica e fotônica que são imunes ao ruído ambiental e resistentes às imperfeições de fabricação”.
Além de demonstrar as fases topológicas em um sistema dissipativo, Marandi e seus colegas realizaram uma plataforma experimental que poderia aprimorar o estudo da física topológica. Mais especificamente, eles usaram redes de ressonadores multiplexados no tempo para criar uma plataforma flexível e em larga escala para estudar fotônica topológica.
“Em nosso artigo, mostramos alguns dos recursos da plataforma, por exemplo, na mesma configuração sem nenhuma modificação de hardware, podemos alterar as condições de contorno e mudar de uma rede topológica para uma rede trivial no meio do experimento e estudar exóticas dinâmica”, explicou Marandi. “Nossa plataforma é prontamente escalável para dimensões ainda mais sintéticas e pode implementar acoplamentos complexos de longo alcance, fornecendo um modelo direto para estudar física em redes densamente conectadas e em quatro ou mais dimensões”.
A plataforma projetada por Marandi e seus colegas consiste em uma rede de ressonadores fotônicos, ligados por conexões “dissipativas”. Isso significa essencialmente que cada um dos caminhos que conectam os ressonadores pode vazar alguns fótons e fazer com que eles deixem a rede, dependendo de como a luz na conexão interfere na luz nos ressonadores (por exemplo, construtiva ou destrutivamente). Em termos mais técnicos, a dissipação da rede criada pelos pesquisadores depende de seu supermodo e de como esse supermodo é excitado.
“Mostramos analiticamente que em uma rede puramente acoplada dissipativamente, quando a rede representa uma rede, uma rede topológica no nosso caso, as taxas de dissipação dos modos seriam equivalentes às bandas de energia da rede e poderíamos observar comportamentos topológicos em essas taxas de dissipação”, disse Marandi. “Por exemplo, em um caso específico, poderíamos observar que o fator de qualidade do supermodo da rede estaria topologicamente protegido contra distúrbios na rede.”
A plataforma criada por Marandi e seus colegas foi fabricada usando componentes baseados em fibra ótica prontos para uso e foi acionada usando um laser de pulso curto. Para programar a máquina óptica e adaptá-la a uma rede específica, os pesquisadores usaram um sistema FPGA, um circuito de hardware usado para realizar operações lógicas.
Os resultados alcançados por esta equipe de pesquisadores podem lançar as bases para novos estudos teóricos e experimentos com foco em fases topológicas em sistemas dissipativos. Além disso, a fase topológica dissipativamente acoplada demonstrada pelos pesquisadores também pode ser relevante para outras áreas da física, incluindo física da matéria condensada, fotônica e o estudo de átomos ultrafrios.
“Fases topológicas acopladas dissipativamente apresentam estados topológicos robustos com taxas de dissipação isoladas”, disse Marandi. “Esta propriedade também fornece uma nova maneira de projetar a dissipação de um sistema e pode ser útil para projetar dispositivos como memórias quânticas, sensores fotônicos e amplificadores topológicos”.
No futuro, o trabalho recente de Marandi e seus colegas também pode ser de interesse para equipes que se concentram em uma área de pesquisa relativamente nova, a física topológica não-hermitiana. De fato, as propriedades dissipativas das fases topológicas que eles revelaram podem ser combinadas com o ganho e a perda observados em sistemas não-hermitianos para realizar novos efeitos topológicos. Esses efeitos podem, por sua vez, permitir o desenvolvimento de lasers novos, robustos e muito poderosos.
“Agora planejamos estudar física fundamental que é possibilitada pela flexibilidade e escalabilidade de nossa máquina”, disse Marandi. ?Nessa direção, estamos estudando algumas dinâmicas topológicas exóticas e não-hermitianas que estão além do alcance de plataformas experimentais anteriores. um recurso adicional para sistemas fotônicos. Especificamente, estamos atualmente aproveitando essas fases topológicas para criar lasers e sensores fotônicos com modo bloqueado.”
Publicado em 22/03/2022 11h34
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