Il dispositivo è realizzato in un materiale particolare chiamato isolante topologico fotonico. Questo tipo di isolante è in grado di guidare i fotoni – le particelle ondulatorie che costituiscono la luce – lungo interfacce appositamente progettate all’interno del materiale, impedendo al contempo la dispersione di queste particelle attraverso il materiale stesso.
Grazie a questa proprietà, gli isolanti topologici possono fare in modo che molti fotoni agiscano coerenza come un singolo fotone. I dispositivi possono anche essere utilizzati come simulatori quantistici topologici, veri e propri laboratori in miniatura dove i ricercatori possono studiare fenomeni quantistici, ovvero le leggi fisiche che governano la materia su scale molto piccole.
Il professore Wei Bao, del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso RPI e autore principale dello studio pubblicato su Nature Nanotechnology, ha sottolineato l’importanza di questo dispositivo che funziona a temperatura ambiente. Prima di questa innovazione, era possibile investigare questo regime solo con apparecchiature grandi e costose che super-raffreddano la materia in un vuoto. Molti laboratori di ricerca non hanno accesso a questo tipo di attrezzature, quindi il dispositivo potrebbe permettere a più persone di perseguire questo tipo di ricerca fisica di base in laboratorio.
Inoltre, il dispositivo rappresenta un passo avanti promettente nello sviluppo di laser che richiedono meno energia per funzionare, poiché la soglia di energia necessaria per il suo funzionamento è sette volte inferiore rispetto ai dispositivi a bassa temperatura precedentemente sviluppati.
Per la fabbricazione del dispositivo, i ricercatori RPI hanno utilizzato la stessa tecnologia impiegata nell’industria dei semiconduttori per realizzare microchip, che prevede la stratificazione di diversi tipi di materiali, atomo per atomo, molecola per molecola, per creare una struttura desiderata con proprietà specifiche.
Il dispositivo è stato creato facendo crescere piastre ultrathin di perovskite alogenata, un cristallo composto da cesio, piombo e cloro, e incidendo un polimero sopra di esso con un pattern. Queste piastre di cristallo e polimero sono state poi sandwichate tra fogli di vari materiali ossidici, formando un oggetto di circa 2 micron di spessore e 100 micron di lunghezza e larghezza.
Quando i ricercatori hanno illuminato il dispositivo con una luce laser, è apparso un pattern triangolare luminoso nelle interfacce progettate nel materiale. Questo pattern, determinato dalla progettazione del dispositivo, è il risultato della caratteristica topologica dei laser.
Il decano Shekhar Garde della Scuola di Ingegneria RPI ha commentato che la possibilità di studiare fenomeni quantistici a temperatura ambiente è una prospettiva entusiasmante e il lavoro innovativo del professor Bao dimostra come l’ingegneria dei materiali possa aiutarci a rispondere ad alcune delle più grandi domande della scienza.