Una nueva forma de combinar dos estados diferentes de la materia

Los cristales fotónicos topológicamente distintos (naranja y azul) con una capa de nitruro de boro hexagonal en la parte superior permiten el acoplamiento de la luz topológica y las vibraciones de la red para formar excitaciones de semivibración de media luz quirales, que pueden guiarse direccionalmente a lo largo de canales 1D de manera robusta. Crédito: Filipp Komissarenko y Sriram Guddala

Una nueva investigación realizada por un equipo de City College of New York ha descubierto una forma novedosa de combinar dos estados diferentes de la materia. Por primera vez, los fotones topológicos, la luz, se han combinado con vibraciones de celosía, también conocidas como fonones, para manipular su propagación de una manera robusta y controlable.

El estudio utilizó fotónica topológica, una dirección emergente en fotónica que aprovecha las ideas fundamentales del campo matemático de la topología sobre cantidades conservadas (invariantes topológicas) que permanecen constantes al alterar partes de un objeto geométrico bajo deformaciones continuas. Uno de los ejemplos más simples de tales invariantes es el número de agujeros, que, por ejemplo, hace que la rosquilla y la taza sean equivalentes desde el punto de vista topológico. Las propiedades topológicas otorgan a los fotones helicidad, cuando los fotones giran a medida que se propagan, lo que genera características únicas e inesperadas, como la resistencia a los defectos y la propagación unidireccional a lo largo de las interfaces entre materiales topológicamente distintos. Gracias a las interacciones con las vibraciones en los cristales, estos fotones helicoidales se pueden utilizar para canalizar la luz infrarroja junto con las vibraciones.

Las implicaciones de este trabajo son amplias, en particular, lo que permite a los investigadores avanzar en la espectroscopia Raman, que se utiliza para determinar los modos vibracionales de las moléculas. La investigación también es prometedora para la espectroscopia vibratoria, también conocida como espectroscopia infrarroja, que mide la interacción de la radiación infrarroja con la materia a través de la absorción, emisión o reflexión. Esto luego se puede utilizar para estudiar e identificar y caracterizar sustancias químicas.

“Acoplamos fotones helicoidales con vibraciones reticulares en nitruro de boro hexagonal, creando una nueva materia híbrida denominada fonón-polaritones”, dijo Alexander Khanikaev, autor principal y físico afiliado a la Escuela de Ingeniería Grove de CCNY. “Es mitad luz y mitad vibraciones. Dado que la luz infrarroja y las vibraciones de celosía están asociadas con el calor, creamos nuevos canales para la propagación de la luz y el calor juntos. Por lo general, las vibraciones de la celosía son muy difíciles de controlar, y antes era imposible guiarlas alrededor de defectos y esquinas afiladas “.

La nueva metodología también puede implementar transferencia de calor radiativa direccional, una forma de transferencia de energía durante la cual el calor se disipa a través de ondas electromagnéticas.

“Podemos crear canales de forma arbitraria para que esta forma de excitación híbrida de luz y materia sea guiada dentro de un material bidimensional que creamos”, agregó el Dr. Sriram Guddala, investigador postdoctoral en el grupo del Prof. Khanikaev y primer autor del manuscrito. “Este método también nos permite cambiar la dirección de propagación de las vibraciones a lo largo de estos canales, hacia adelante o hacia atrás, simplemente cambiando las polarizaciones a mano del rayo láser incidente. Curiosamente, a medida que se propagan los fonón-polaritones, las vibraciones también giran junto con el campo eléctrico. Esta es una forma completamente nueva de guiar y rotar las vibraciones de celosía, lo que también las hace helicoidales “.

Referencia: “Canalización topológica de fonón-polaritón en metasuperficies infrarrojas intermedias” por S. Guddala, F. Komissarenko, S. Kiriushechkina, A. Vakulenko, M. Li, VM Menon, A. Alù y AB Khanikaev, 8 de octubre de 2021, Ciencias.
DOI: 10.1126 / science.abj5488


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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