Nuevo método de detección topológico ayudará a mejorar la nanofabricación

Universidad ITMO

Un equipo internacional de científicos ha desarrollado un nuevo método para probar estructuras topológicas y sus transiciones de fase topológica. El método se basa en examinar el espectro de reflexión de las ondas electromagnéticas que se reflejan en un objeto desde diferentes ángulos de impacto. La precisión de los resultados del método se ha verificado experimentalmente en los espectros infrarrojos y de microondas. En N+1, en colaboración con los expertos de la Universidad ITMO de San Petersburgo, quienes lideran el estudio,  Los resultados han sido publicados en Nature Communications.

La topología es el estudio de las propiedades de los objetos que permanecen inalterables durante una deformación. Desde un punto de vista topológico, una rosquilla y una taza son lo mismo, ya que ambos tienen un agujero en el centro. 

Por otro lado, las invariantes topológicas se encuentran en el núcleo de muchas propiedades observables importantes de la materia. Se incorporan en la creación de materiales nuevos e inusuales, que se utilizan, por ejemplo, para controlar la propagación de la luz en sistemas ópticos.

Para detectar estructuras topológicamente no triviales, los científicos generalmente escanean la propagación del campo cercano de un objeto. En otras palabras, monitorean las emisiones de un objeto a una distancia mucho más pequeña que una longitud de onda. El mapa de campo cercano resultante les permite sacar conclusiones sobre la topología de las bandas fotónicas del objeto. Por ejemplo, es posible determinar si el objeto contiene algún estado de borde topológico, y en qué grado están protegidos contra la dispersión en áreas con defectos o falta de uniformidad.

Científicos de la Universidad ITMO junto con sus colegas de la Universidad de la Ciudad de Nueva York han propuesto un nuevo método de análisis topológico basado en la espectroscopía del campo lejano de un objeto. "Planteamos la pregunta: ¿Las propiedades topológicas de un sistema afectan cómo dispersa la luz a grandes distancias?", dice Maxim Gorlach, investigador del Laboratorio de Metamateriales de la Universidad  ITMO.

"Para responder, nuestros colegas, dirigidos por Alexander Khanikaev, desarrollaron y fabricaron dos estructuras bidimensionales utilizando cilindros de silicio de parámetros geométricos ligeramente diferentes. Uno era trivial, y el otro topológico", agregó Gorlach.


Representación de las metasuperficies estudiadas como parte del proyecto: (a) estructura topológicamente trivial. (b) estructura topológicamente no trivial. /Universidad ITMO

Estructuras de difícil fabricación

Hacer tales estructuras no es fácil, dicen los científicos. Para eso, necesitan usar los últimos métodos de nanofabricación. Después de analizar los espectros de las muestras resultantes, desarrollaron un modelo teórico que representa los resultados del análisis. Les permitió determinar la invariante topológica de la estructura. Este modelo más tarde se convirtió en la base para el método de espectroscopía de campo lejano.

"En algún punto, nuestros revisores expresaron su interés en si podemos confirmar que los resultados que obtuvimos a través del análisis de campo lejano están en línea con la técnica estándar de análisis de campo cercano. Para hacer eso, realizamos un experimento de microondas. Creamos una meta-superficie de dos partes: una topológicamente trivial y otra no trivial. Nuestro objetivo era observar el estado topológico localizado en el borde de estas dos partes. Al final, logramos producir una meta-superficie totalmente dieléctrica que contiene estados topológicamente protegidos en la banda de microondas. Al mismo tiempo, la polarización del estado del borde resultó estar inequívocamente conectada a la dirección de su propagación. El experimento confirmó la precisión de nuestro modelo", explicó Ph .RE. estudiante de la Facultad de Física e Ingeniería de la Universidad ITMO.

Aplicación en la nanofabricación

Debido a esto, los investigadores ya no necesitan examinar el campo de propagación en la superficie de la estructura. Ahora pueden detectar estados topológicos inusuales en materiales desde lejos. Además, a medida que desarrollaron el método, demostraron que si bien la pérdida de energía puede ocurrir en las estructuras topológicas, los estados de borde topológicos aún persisten.

"Ahora estamos planeando utilizar el nuevo método para estudiar aisladores topológicos tridimensionales y esperamos algunos resultados nuevos y emocionantes", señala Maxim Gorlach.

Anteriormente, los estados topológicos solo se sugerían para su uso en la transmisión segura de señales. Pero ahora, explican los científicos, la gama de aplicaciones se está volviendo mucho más amplia.

Actualmente, los métodos de nanofabricación tienen una precisión limitada debido a varias razones tecnológicas, y las nanoestructuras fotónicas contienen defectos. “Esto conduce a la pérdida de eficiencia y precisión de los dispositivos producidos con estos métodos”, dice el responsable del proyecto, Alexander Khanikaev.

Por ejemplo, cualquier biosensor fabricado con métodos de nanofabricación estará limitado en la precisión de sus mediciones, debido a los defectos. Pero “utilizando estados topológicos en la construcción de estos detectores, podemos aumentar su sensibilidad y precisión, incluso a pesar de la presencia de defectos estructurales", finaliza Khanikaev.


Victor Román
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma.

Sobre N+1: Es la primera revista online de divulgación científica y tecnológica que permite la reproducción total o parcial de sus contenidos por medios de comunicación, bloggers e influencers, realizando la mención del texto y el enlace a la web: “Esta noticia ha sido publicada originalmente en la revista N+1, ciencia que sumawww.nmas1.org”.​​​​​​

 

Suscríbete

Déjanos tu mail para recibir nuestro boletín de noticias

La confirmación ha sido enviada a tu correo.