"Il concetto di dimensionalità è diventato un elemento centrale in diversi campi della fisica e della tecnologia contemporanea negli anni passati", ha detto l'autore dell'articolo Toshihiko Baba, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica, Yokohama National University. "Mentre le indagini su materiali e strutture di dimensioni inferiori sono state fruttuose, i rapidi progressi in topologia hanno scoperto un'ulteriore abbondanza di fenomeni potenzialmente utili a seconda della dimensionalità del sistema, anche andando oltre le tre dimensioni spaziali disponibili nel mondo che ci circonda".
La topologia si riferisce a un'estensione della geometria che descrive matematicamente gli spazi con proprietà conservate in distorsione continua, come la torsione di una striscia di Mobius. Se combinati con la luce, secondo Baba, questi spazi fisici possono essere diretti in un modo che consente ai ricercatori di indurre fenomeni altamente complicati.
Nel mondo reale, da una linea a un quadrato a un cubo, ogni dimensione fornisce più informazioni, oltre a richiedere più conoscenze per descriverla con precisione. Nella fotonica topologica, i ricercatori possono creare dimensioni aggiuntive di un sistema, consentendo maggiori gradi di libertà e manipolazione sfaccettata, di proprietà precedentemente inaccessibili.
"Le dimensioni sintetiche hanno permesso di sfruttare concetti di dimensione superiore in dispositivi di dimensioni inferiori con complessità ridotta, oltre a guidare funzionalità critiche del dispositivo come l'isolamento ottico su chip", ha affermato Baba.
I ricercatori hanno fabbricato una dimensione sintetica su un risonatore ad anello di silicio, utilizzando lo stesso approccio utilizzato per costruire semiconduttori complementari di ossido di metallo (CMOS), un chip per computer in grado di memorizzare memoria. Un risonatore ad anello applica guide per controllare e dividere le onde luminose in base a parametri specifici, come particolari larghezze di banda.
Secondo Baba, il dispositivo fotonico risonatore ad anello di silicio ha acquisito spettri ottici "a pettine", risultando in modalità accoppiate corrispondenti a un modello unidimensionale. In altre parole, il dispositivo ha prodotto una proprietà misurabile, una dimensione sintetica, che ha permesso ai ricercatori di dedurre informazioni sul resto del sistema.
Baba ha spiegato che la loro piattaforma, anche con anelli impilati, è molto più piccola e compatta rispetto agli approcci precedenti, che impiegavano fibre ottiche collegate a vari componenti.
"Una piattaforma di chip fotonici al silicio più scalabile fornisce un notevole progresso, in quanto consente alla fotonica con dimensioni sintetiche di beneficiare della matura e sofisticata cassetta degli attrezzi di fabbricazione commerciale CMOS, creando al contempo i mezzi per i fenomeni topologici multidimensionali da introdurre in nuove applicazioni per dispositivi", ha dichiarato Baba.
La flessibilità del sistema, compresa la capacità di riconfigurarlo se necessario, integra spazi statici equivalenti nello spazio reale, che potrebbero aiutare i ricercatori a bypassare i vincoli dimensionali dello spazio reale per comprendere fenomeni anche oltre le tre dimensioni, secondo Baba.
"Questo lavoro mostra la possibilità che la fotonica topologica e di dimensione sintetica possa essere utilizzata praticamente con una piattaforma di integrazione della fotonica del silicio", ha dichiarato Baba. "Successivamente, abbiamo in programma di raccogliere tutti gli elementi fotonici topologici e di dimensione sintetica per costruire un circuito integrato topologico".