La recerca sobre aïllants topològics avança ràpidament i obre la porta a un ampli ventall d’aplicacions, que van des de la metrologia fins a la computació quàntica. Els aïllants topològics es caracteritzen per estats de vora protegits, que són una manifestació directa de la seva estructura de bandes. Per entendre els efectes de la topologia, físics d’arreu del món estan treballant simultàniament en una gran quantitat d’arquitectures experimentals. Entre aquestes, els passejos quàntics són models potents on es poden simular fases topològiques de la matèria en escenaris estàtics i fora d'equilibri. La majoria de les arquitectures de passejos quàntics construïdes fins ara han generat processos unidimensionals. Actualment hi ha importants esforços per investigar l’ampli ventall de fenòmens topològics existents en 2D i 3D.

A l’estudi titulat ‘Two-dimensional topological quantum walks in the momentum space of structured light’, publicat recentment a la revista 'Optica’, l’investigador del Departament de Física de la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) Pietro Massignan, juntament amb investigadors de la Università degli Studi di Napoli Federico II i de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) –institut universitari de recerca adscrit a la UPC–, detallen la realització d’una plataforma fotònica que genera un passeig quàntic en una estructura reticulada quadrada bidimensional, que emula un aïllant quàntic de Hall forçat periòdicament. L’aparell consisteix en lloses de cristall líquid en cascada, dissenyat per donar puntades que depenen de la polarització als fotons de pas. Combinacions adequades d’aquestes plaques permeten manipular dinàmicament l’evolució d’un feix de llum, realitzant un passeig quàntic entre els modes espacials de la llum portant una quantitat variable de moment transversal. Els autors demostren el caràcter topològic no trivial del seu sistema fotònic mitjançant la lectura directa del desplaçament anòmal d’un paquet d’ona quan s’introdueix una força constant al sistema.

La demostració de la nova plataforma de dues dimensions de passejos quàntics obre nous camins per a l’experimentació i l’estudi de dinàmiques quàntiques en dues dimensions. La simulació d’altres sistemes de matèria condensada, la investigació de l’evolució de la llum quàntica i l’estudi de les transicions de fase dinàmica es troben entre les possibles vies que els autors d’aquest treball pretenen explorar en un futur pròxim.

Article de referència

• D’Errico et al., Two-dimensional topological quantum walks in the momentum space of structured light, Optica 7, 108 (2020)