Los aisladores topológicos fotónicos son materiales electromagnéticos artificiales que soportan estados de luz unidireccionales topológicamente no triviales. [1] Las fases topológicas fotónicas son análogos de ondas electromagnéticas clásicas de las fases topológicas electrónicas estudiadas en la física de la materia condensada . Al igual que sus contrapartes electrónicas, pueden proporcionar canales unidireccionales robustos para la propagación de la luz. [2]
El campo que estudia estas fases de la luz se denomina fotónica topológica , aunque la frecuencia de trabajo de estos aisladores topológicos electromagnéticos puede caer en otras partes del espectro electromagnético, como el rango de microondas. [3]
El orden topológico en los sistemas de estado sólido se ha estudiado en la física de la materia condensada desde el descubrimiento del efecto Hall cuántico entero . Pero la materia topológica atrajo un interés considerable de la comunidad física después de las propuestas para la posible observación de fases topológicas protegidas por simetría (o los llamados aisladores topológicos ) en grafeno , [4] y la observación experimental de un aislador topológico 2D en CdTe/HgTe/ Pozos cuánticos de CdTe en 2007. [5] [6]
En 2008, Haldane y Raghu propusieron que los estados electromagnéticos unidireccionales análogos a los estados cuánticos de Hall (entero) se pueden realizar en cristales fotónicos magnéticos no recíprocos . [7] Esta predicción se realizó por primera vez en 2009 en el régimen de frecuencia de microondas. [8] Esto fue seguido por las propuestas de estados Hall de espín cuántico análogos de ondas electromagnéticas que ahora se conocen como aisladores topológicos fotónicos. [9] [3]
Los aisladores topológicos fotónicos están diseñados utilizando varias plataformas fotónicas que incluyen matrices de guías de ondas ópticas, [10] resonadores de anillo acoplado, [11] metamateriales bianisotrópicos y cristales fotónicos. [12] Más recientemente, se han realizado en metasuperficies 2D dieléctricas [13] y plasmónicas [14] .
Como figura de mérito importante para caracterizar los comportamientos colectivos cuantificados de la función de onda, el número de Chern es la invariante topológica de los aisladores de Hall cuánticos. El número de Chern también identifica las propiedades topológicas de los aisladores topológicos fotónicos (PTI), por lo que es de crucial importancia en el diseño de PTI. Se ha escrito el programa MATLAB basado en el método de dominio de frecuencia de diferencia finita de onda completa (FDFD) para calcular el número de Chern. [15] Recientemente, el método de diferencias finitas se ha ampliado para analizar la invariante topológica de cristales fotónicos dieléctricos topológicos no hermitianos mediante el cálculo del bucle de Wilson de primer principio. [dieciséis]