Aislante topológico cuadripolar creado en metamaterial

En la esquina: ilustración de cargos de esquina en un sistema cuadripolar El primer "aislante topológico cuadrupolar" ha sido creado en un metamaterial mecánico por físicos en Suiza. El experimento confirma una predicción teórica hecha en 2017 de que los conceptos detrás de los aislantes topológicos dipolares tradicionales pueden extenderse para crear versiones multipolares más altas. Los investigadores creen que el trabajo podría conducir a guías de onda unidireccionales que son inmunes a la dispersión. A diferencia de la mayoría de los aislantes topológicos, que implican la conducción de carga eléctrica, las propiedades topológicas del metamaterial surgen de sus modos de vibración. El trabajo realizado recientemente por otros dos equipos de físicos sugiere que los aislantes topológicos cuadripolo también se pueden hacer a partir de sistemas basados en electrones y fotones. En los aislantes topológicos eléctricos tradicionales, los momentos dipolares eléctricos se sientan de la cabeza a la cola en la mayor parte del cristal, cancelando efectivamente entre sí. En las superficies, sin embargo, las cargas eléctricas pueden acumularse, lo que lleva a modos de borde que conducen la carga en una dirección sin dispersión. En 2017, Taylor Hughes de la Universidad de Illinois en Urbana Champaign y sus colegas calcularon que, si se producía una polarización de carga de orden superior dentro de un cristal, se podían ver fenómenos más complejos en los bordes. Por ejemplo, si la mayor parte contiene momentos cuadrupolares, cada borde debe convertirse en una versión 1D de un aislador topológico tradicional dipolo, dando lugar a "modos de esquina" donde se encontraron. Enlace matemático Los aisladores topológicos análogos al tipo dipolo eléctrico se han creado en sistemas donde la radiación electromagnética o las oscilaciones mecánicas desempeñan el papel de carga eléctrica. "El enlace está realmente en el nivel matemático", explica Sebastian Huber de ETH Zurich. "La existencia o ausencia de estados superficiales es independiente de que estos grados de libertad se carguen o no". En la nueva investigación, Huber y sus colegas produjeron un metamaterial mecánico que logra la primera demostración experimental de un aislante topológico cuadripolo. El equipo utilizó los principios matemáticos perfilados por el equipo de Hughes para calcular las frecuencias resonantes de los diversos modos en un metamaterial mecánico topológico hecho de placas de silicio de 5 mm conectadas entre sí por haces. Luego fabricaron el metamaterial y midieron su respuesta a las vibraciones inducidas en varias frecuencias. "Hay un rango de frecuencias completo en el que no se pueden excitar las vibraciones en el sistema ni a granel ni en el borde", dice Huber. "Sin embargo, en las cuatro esquinas, justo en el medio de esta banda de frecuencia, puedes excitar vibraciones: estos son los cuatro estados de las esquinas". En la actualidad, el sistema es bidimensional, por lo que los modos de esquina no tienen a dónde ir. Sin embargo, Huber y sus colegas apuntan a desarrollar una configuración apilada y tridimensional. Debería ser posible, dice Huber, desarrollar una arquitectura cúbica en la que algunas esquinas solo permitan la propagación en una dirección y otras solo lo permitan en la dirección opuesta. Esto, dice, sería "el sueño" de producir cosas como guías de onda protegidas contra la dispersión y protegidas topológicamente. "Una de las cosas importantes aquí es que creo que este es el primer ejemplo en el que un concepto de materia topológica se realizó por primera vez en un sistema mecánico", dice Martin van Hecke del Instituto de Física Atómica y Molecular de Amsterdam, que no involucrado con la investigación. Rápida realización "Estábamos emocionados de ver que nuestras predicciones pudieran realizarse tan rápido", dice Hughes, "Muestra que el campo de los metamateriales topológicos es una vía muy capaz para realizar estas interesantes fases topológicas en experimentos". En prepublicaciones publicadas recientemente, el equipo de Hughes describe un sistema análogo basado en un resonador de microondas, mientras que Ronny Thomale de la Universidad de Würzburg en Alemania y sus colegas describen una descripción de un sistema similar basado en un circuito eléctrico. Huber y sus colegas describieron su metamaterial en Nature . Sobre el Autor Tim Wogan es un escritor de ciencia basado en el Reino Unido