Le domaine de la topologie ou l'étude du comportement des surfaces dans différentes dimensions a profondément influencé la compréhension actuelle de la matière. Le meilleur exemple est l'isolant topologique, qui ne conduit l'électricité qu'en surface tout en étant totalement isolant à l'intérieur du volume. Les isolants topologiques se comportent comme un métal, c'est à dire., argent en surface, mais à l'intérieur, il se comporterait comme du verre. Ces propriétés sont définies à l'aide de la conductivité ou du flux d'électrons indiquant s'il existe une autoroute ou un barrage routier pour leur mouvement. L'un des principaux moteurs des futures applications des isolants topologiques réside dans le domaine des dispositifs électroniques de spin, car ces électrons tournent à l'unisson, tous alignés les uns avec les autres tout en coulant à la surface.

Aujourd'hui, des chercheurs en génie électrique et informatique ont proposé pour la première fois que cette même conductivité électronique influence les propriétés topologiques de la lumière à l'intérieur de la matière atomique.

"Nous avons montré qu'il peut exister une nouvelle phase topologique de la matière où la lumière ne circule que sur le bord du matériau atomique mais pas à l'intérieur. Il pourrait exister des matériaux très spéciaux avec cette propriété photonique unique, et c'est ce que nous appelons la phase gyroélectrique quantique de la matière, " dit Zubin Jacob, professeur agrégé de génie électrique et informatique à l'Université Purdue.

Une autre propriété déterminante de cette phase de la matière est une excitation topologique connue sous le nom de « skyrmion photonique ». Dans les aimants conventionnels, les spins des électrons peuvent être considérés comme de minuscules flèches qui s'alignent ou s'anti-alignent les unes avec les autres. En contraste frappant, Les skyrmions sont des excitations de spin qui montrent un comportement de culbutage unique des spins (voir image). Ils sont extrêmement stables aux stimuli et peuvent être exploités pour des commutateurs et des mémoires spintroniques. La phase gyroélectrique quantique héberge des skyrmions dans l'espace énergie-impulsion des ondes photoniques et peut être utilisée comme une signature fumante de cette phase de la matière.

Un tel matériau pourrait être synthétisé par « dopage, " ou en modifiant la structure atomique, de matériaux existants. Un bon endroit pour rechercher cette phase est dans les matériaux bidimensionnels tels que le graphène.

Jacob et le doctorant Todd Van Mechelen sont l'auteur d'une série de quatre articles publiés dans des revues de recherche qui mettent en avant la théorie de cette phase de la matière.

La recherche a été financée par le programme Nascent Light-Matter Interactions de la Defense Advanced Research Projects Agency et la National Science Foundation.

Les recherches futures exploreront le dopage des matériaux 2-D pour atteindre la phase gyroélectrique quantique et étudieront comment les ondes lumineuses se déplacent sur le bord d'un matériau.