Análogos electromagnéticos a la valletrónica en cristales fotónicos planos

Dibujo20171294 Topologically protected refraction of spin–valley-locked kink states nphys4304-f4

Un cristal fotónico bidimensional presenta una estructura de bandas para las ondas electromagnéticas análoga a la de un material conductor bidimensional para los electrones (como el grafeno). Se llaman valles (valleys) a ciertas bandas cuyo origen es la propagación de ondas por los bordes o aristas del material (estas bandas cruzan el bandgap desde la banda de valencia a la de conducción). Los estados propagantes en los valles están protegidos topológicamente (su origen es una rotura de la simetría temporal y están caracterizados por un valor fijo del llamado pseudoespín). Los materiales 2D han conquistado la ciencia de los materiales y ahora van a conquistar la fotónica.

La figura que abre esta entrada se publicó en Nature Physics y muestra el transporte topológico en valles para ondas electromagnéticas en un cristal fotónico bidimensional. Se trata de un magnífico ejemplo de las analogías entre las ondas asociadas a electrones en física cuántica y las ondas electromagnéticas en física clásica. El pseudoespín (que depende de la dirección en la que se propaga la onda por el borde) es un nuevo grado de libertad que puede tener aplicaciones en comunicaciones ópticas y en computación completamente óptica, aunque estas aún están muy lejanas. Ahora mismo lo más interesante es el uso de esta analogía para explorar la valletrónica en un material mucho más barato que los materiales bidimensionales electrónicos, como el grafeno.

El artículo del que he extraído la figura es Fei Gao, Haoran Xue, …, Baile Zhang, “Topologically protected refraction of robust kink states in valley photonic crystals,” Nature Physics (13 Nov 2017), doi: 10.1038/nphys4304; más información divulgativa en Fan Zhang, “Topological valleytronics: Brought to light,” Nature Physics (04 Dec 2017), doi: 10.1038/nphys4331. También recomiendo Xiao-Dong Chen, Wei-Min Deng, …, Jian-Wen Dong, “Valley controlled propagation of pseudospin states in bulk metacrystal waveguides,” arXiv:1709.05190 [physics.optics], y Kueifu Lai, Yang Yu, Yuchen Han, …, Gennady Shvets, “Sorting and Routing Topologically Protected Edge States by their Valleys,” arXiv:1712.04589 [physics.app-ph].

Un artículo de revisión de la situación actual es Alexander B. Khanikaev, Gennady Shvets, “Two-dimensional topological photonics,” Nature Photonics 11: 763–773 (30 Nov 2017), doi: 10.1038/s41566-017-0048-5.

Dibujo20171204 Geometric Hall effects nphys4331-f1

En 1879 Edwin Hall descubrió que una corriente eléctrica en un conductor plano muy delgado bajo un campo magnético transversal se desvía por la fuerza de Lorentz. Este efecto Hall es una rotura de la simetría de inversión temporal. Y se observa también en sistemas fotónicos (los llamados metamateriales ópticos, o también guías ópticas metacristalinas).

Dibujo20171204 topological Hall effects nphys4331-f1

En 2004, Charles Kane y Eugene Mele predijeron una versión cuántica del efecto de Hall en un material de tipo aislante topológico. Aparecen un número impar de estados de borde contrapropagantes con espín opuesto en sus respectivos valles.

Dibujo20180216 photonic valley hall effect bulk metacrystal waveguide arxiv 1709 05190

En un metacristal plano (estructura con hexágonos en la figura) sobre una guía óptica (en color amarillo) se propagan modos en valles con pseudoespín bien determinado (en el borde efectivo definido por la guía). En este caso cuando la frecuencia que se propaga por la guía es 2,48 GHz (2,92 GHz) en el lado izquierdo (derecho) del borde se propagan modos con pseudoespín hacia arriba (hacia abajo) marcados en la figura con colores verde-azul (rojo-amarillo), y en lado derecho (izquierdo) con pseudoespín opuesto.

Dibujo20180216 Topologically protected edge waves arxiv 1712 04589

La gran ventaja de los modos de valle (a veces llamados modos de borde) es que están topológicamente protegidos debido a que tienen pseudoespín bien definido. Esto quiere decir que pequeñas perturbaciones que afecten a los estados de conducción en la banda asociada no pueden transformar una onda con cierto pseudoespín (↑/↓) en otra con su valor opuesto (↓/↑). Esta protección topológica tiene interés en ciertas aplicaciones que requieren la propagación de ondas con estados de gran robustez.

Dibujo20180216 valley wave sorting on a Valley-Spin locked platform arxiv 1712 04589

Como estas ondas se propagan por bordes, en una unión en forma de Y, se pueden realizar ciertos tipos de computación completamente óptica. Esta figura ilustra la conmutación (redirección) de un modo de valle que se desvía o sigue recto en función de si su pseudoespín está hacia arriba (abajo) para una frecuencia dada (abajo a la izquierda en la figura), y en el sentido opuesto para otra frecuencia (abajo a la derecha en la figura). Este tipo de diseños permite desarrollar puertas lógicas en computación completamente óptica de gran interés potencial.

En resumen, los materiales fotónicos planos permiten el diseño de dispositivos ópticos muy interesantes per se, pero también son fuente de inspiración para dispositivos análogos usando materiales bidimensionales como el grafeno. La valletrónica es uno de los campos con más aplicaciones potenciales para el grafeno, pues en este campo no tiene la competencia de los materiales tridimensionales tipo grafeno. Los análogos fotónicos sin lugar a dudas serán fuente de inspiración para muchas aplicaciones.

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