A fost inventat un instrument cu dimensiuni mai mici decât un fir de păr: Cum ar putea revoluționa domeniul fizicii

Cercetătorii de la Institutul Politehnic Rensselaer (RPI) din New York, SUA, au creat un dispozitiv mai mic decât un fir de păr uman, care îi va ajuta pe fizicieni să investigheze natura fundamentală a materiei și a luminii. Descoperirile lor, publicate în revista Nature Nanotechnology, ar putea sprijini, de asemenea, dezvoltarea unor lasere mai eficiente, utilizate în domenii variate, de la medicină la producție. Dispozitivul este realizat dintr-un material special numit izolator topologic fotonic.

Un izolator topologic fotonic poate ghida fotonii, particulele de lumină, către interfețe special concepute în interiorul materialului, împiedicându-i să se împrăștie. Această proprietate permite izolatorilor topologici să facă mai mulți fotoni să acționeze coerent ca un singur foton.

Dispozitivele pot fi utilizate și ca „simulatoare cuantice” topologice, laboratoare miniaturale în care cercetătorii pot studia fenomenele cuantice, legile fizice care guvernează materia la scări foarte mici.

Un dispozitiv cât un fir de păr uman

„Izolatorul topologic fotonic pe care l-am creat este unic. Acesta funcționează la temperatura camerei, un progres major. Anterior, aceste studii necesitau echipamente mari și costisitoare care supraîncălzesc materia în vid. Dispozitivul nostru ar putea permite mai multor laboratoare să urmărească acest tip de cercetare de fizică de bază”, a declarat Wei Bao, profesor asistent în cadrul Departamentului de Știința și Ingineria Materialelor de la RPI și autor principal al studiului.

„Este, de asemenea, un pas înainte promițător în dezvoltarea de lasere care necesită mai puțină energie pentru a funcționa, deoarece pragul dispozitivului nostru la temperatura camerei este de șapte ori mai mic decât dispozitivele dezvoltate anterior la temperaturi scăzute”, a adăugat Bao.

Cercetătorii de la RPI au creat dispozitivul utilizând tehnologia din industria semiconductorilor pentru fabricarea microcipurilor, care presupune stratificarea materialelor atom cu atom și moleculă cu moleculă, pentru a crea structuri cu proprietăți specifice.

Natura fundamentală a materiei și a luminii

Pentru a crea dispozitivul, cercetătorii au cultivat plăci ultra-subțiri de perovskit de halogenură, un cristal din cesiu, plumb și clor, și au gravat un polimer deasupra cu un model specific. Aceste plăci de cristal și polimerul au fost așezate între foi de diferite materiale de oxid, formând un obiect cu o grosime de aproximativ 2 microni și o lungime și lățime de 100 de microni (firul de păr uman are o lățime de aproximativ 100 de microni).

Când cercetătorii au îndreptat o lumină laser asupra dispozitivului, un model triunghiular strălucitor a apărut la interfețele proiectate în material. Acest model, dictat de designul dispozitivului, este rezultatul caracteristicii topologice a laserelor.

„Faptul că putem studia fenomenele cuantice la temperatura camerei este o perspectivă interesantă. Activitatea inovatoare a profesorului Bao arată cum ingineria materialelor ne poate ajuta să răspundem la unele dintre cele mai mari întrebări ale științei”, a declarat Shekhar Garde, decanul Școlii de Inginerie RPI.