En el campo de la fotónica topológica, los láseres han sido una de las aplicaciones más prometedoras. Estos dispositivos aprovechan propiedades matemáticas del espacio en que se propagan los fotones para generar haces de luz más estables, resistentes al desorden o a imperfecciones en los materiales. Dentro de este panorama, el llamado «modo cero topológico» ha sido durante años una especie de piedra angular. Se trata de una forma de confinamiento de luz en los bordes de ciertas estructuras fotónicas, como las redes de tipo SSH (Su-Schrieffer-Heeger), que es inmune a pequeños cambios estructurales.
Pero un nuevo estudio publicado en Communications Physics, liderado por investigadores de la Universidad de Saint Louis, pone en cuestión parte de esa narrativa. El trabajo demuestra que, al introducir factores no lineales como la saturación del medio activo, ese modo cero pierde su característico confinamiento en el borde y se convierte en algo mucho más distribuido. En otras palabras: no todos los modos cero que generan láseres son necesariamente topológicos en su comportamiento práctico.
Entendiendo el contexto: la fusión entre física no-Hermítica y topología
En física, los sistemas llamados no-Hermíticos incorporan procesos de ganancia y pérdida de energía, algo muy común en sistemas ópticos donde se bombea energía para generar luz. Por otro lado, los sistemas topológicos se caracterizan por propiedades robustas frente a alteraciones. La combinación de ambas ramas ha dado lugar a nuevas categorías de dispositivos ópticos, especialmente láseres que emiten luz desde modos topológicos protegidos.
Hasta ahora, la receta era relativamente clara: construir un arreglo de cavidades ópticas que alojara modos topológicos, aplicar bombeo selectivo para favorecer el modo deseado y mantener una operación estable. En la práctica, esto ha funcionado bien, incluso ignorando efectos no lineales como la saturación de ganancia. Pero el nuevo estudio se atreve a mirar con lupa esos detalles, preguntándose qué pasa cuando se tiene en cuenta la dinámica real del sistema.
El experimento mental: del acoplamiento nulo al modo extendido
La investigación parte de una idea aparentemente sencilla. Si se reducen todos los acoplamientos entre cavidades a cero, pero se mantiene constante la relación entre acoplamientos fuertes y débiles, entonces debería esperarse que todas las cavidades bombeadas emitan luz con igual intensidad. Agregar una pequeña conexión entre ellas no debería alterar esa simetría, al menos intuitivamente.
Pero lo que descubren los investigadores es que esa intuición falla cuando entra en juego la no linealidad de la ganancia. En lugar de mantenerse localizados en los bordes, los modos cero que surgen en este contexto se dispersan por todo el arreglo, dando lugar a una emisión láser homogénea, sin la firma de borde que caracteriza a los modos topológicos.
Lo que cambia con la saturación de ganancia
Este fenómeno tiene que ver con el comportamiento del medio activo que genera el láser. Cuando un sitio se bombea intensamente, su ganancia no crece de forma indefinida, sino que se satura. Esto implica que, en lugar de favorecer la emisión localizada en una región específica, el sistema tiende a redistribuir la luz para maximizar la eficiencia general. El resultado es que la forma del modo cero que finalmente prevalece no se corresponde con la forma topológica del sistema pasivo (es decir, el sistema sin bombeo ni efectos no lineales).
Es como si uno diseñara una autopista para dirigir todo el tráfico hacia una salida concreta, pero al agregar las restricciones del tráfico real (atascos, reglas de preferencia), los vehículos terminaran tomando caminos alternativos y la salida preferida ya no fuera la más utilizada.
Implicaciones para el diseño de láseres topológicos
Esta revelación cambia el enfoque con el que se diseñan los láseres topológicos. Ya no basta con garantizar que el modo deseado esté presente en el sistema pasivo. Es necesario considerar cómo interactúa con la ganancia, las pérdidas y la saturación. El modo que termina dominando el sistema podría no ser el más robusto topológicamente, sino el que mejor se adapta a estas condiciones dinámicas.
Lo interesante del estudio es que, a diferencia de trabajos anteriores centrados en la estabilidad de los modos, aquí se analiza exclusivamente el caso en que el modo cero es el único modo estable. Es decir, no hay competencia entre múltiples modos: el efecto de delocalización se produce aun en ausencia de ruido o fluctuaciones.
Relevancia para otras plataformas y sistemas cuánticos
Aunque este trabajo se ha centrado en arreglos tipo SSH dentro del ámbito de la fotónica, sus conclusiones podrían aplicarse a otras plataformas experimentales donde se combinen topología, ganancia y pérdidas, como sistemas de cavidades acopladas o redes de microresonadores.
También se sugiere que estos hallazgos podrían tener eco en el ámbito cuántico, donde las interacciones no lineales y las pérdidas colectivas son comunes. En estos entornos, asumir que un estado de borde se mantendrá protegido podría no ser correcto si no se consideran los efectos completos de la dinámica.
Una visión más realista de la topología óptica
El mensaje central del estudio es que la topología, aunque poderosa, no es inmune a las reglas del mundo real, donde la ganancia no es infinita, la luz interactúa consigo misma y las condiciones ideales rara vez se cumplen. Adoptar una visión más realista permitirá construir dispositivos más eficientes y predecibles.
Tal como señalan Ramy El-Ganainy y su estudiante Mohammadmahdi Alizadeh, comprender esta transición del modo cero desde un estado localizado hacia uno extendido permite afinar mejor el control sobre los sistemas fotónicos y anticipar comportamientos que antes parecían anómalos.