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Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8301 (2023) Citar este artigo

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Isoladores topológicos de ordem superior estão atraindo a atenção desde o interesse fundamental até aplicações fascinantes, devido às propriedades topológicas com estados de canto topológicos de ordem superior. A rede Kagome respiratória é uma plataforma prospectiva que pode suportar estados de canto topológicos de ordem superior. Aqui, demonstramos experimentalmente que estados de canto topológicos de ordem superior são suportados em uma rede kagome respiratória que consiste em bobinas ressonantes acopladas magneticamente. A direção do enrolamento de cada bobina é determinada para manter a simetria C3 para cada célula unitária triangular, permitindo o surgimento de estados de canto topológicos de ordem superior. Além disso, fases topológicas e triviais podem ser trocadas alterando as distâncias entre as bobinas. O surgimento de estados de canto na fase topológica é observado experimentalmente através de medidas de admitância. A título de ilustração, a transferência de energia sem fio é realizada entre os estados de canto e entre os estados de massa e de canto. A configuração proposta é uma plataforma promissora não apenas para investigar propriedades topológicas da rede kagome respiratória, mas também um mecanismo alternativo de transferência seletiva de energia sem fio.

As fases topológicas da matéria possuem propriedades atraentes na propagação de ondas e deverão revolucionar tecnologias que vão desde a eletrônica1,2, fotônica3,4,5,6,7, acústica8,9,10, até a mecânica11,12,13. De acordo com a correspondência de limite em massa, um isolador topológico d-dimensional convencional suporta estados limite (d-1) dimensionais . Por outro lado, isoladores topológicos de ordem superior (HOTIs) recentemente descobertos podem suportar estados limite em dimensões (d-2) . Por exemplo, no caso de sistemas bidimensionais, podem aparecer estados de canto de dimensão 0. Os estados de canto dos HOTIs foram observados experimentalmente em várias plataformas físicas . Além disso, as investigações sobre HOTIs são áreas de pesquisa ativas, de lineares a não-lineares21,22,23,24, de dimensões reais a sintéticas25, e de sistemas hermitianos a não-hermitianos26.

Uma das redes básicas que suportam estados de canto topológicos de ordem superior é a rede Kagome respiratória . Convencionalmente, os estados topológicos dos cantos nos HOTIs foram estudados em uma rede quadrada e cúbica . Por outro lado, a rede kagome respiratória é baseada na rede triangular, e três estados de canto são observados nos três cantos do triângulo . Houve relatos sobre várias plataformas físicas para a rede kagome respiratória e observações experimentais dos estados de canto topológicos nos campos incluindo fotônica28, eletromagnetismo29, acústica30,31 e circuitos elétricos32,33. Nesses sistemas, as fases topológicas podem ser obtidas ajustando adequadamente o acoplamento inter e intracelular na rede. Projetos convencionais de HOTIs dependem da geometria da rede. Contudo, o controle flexível da fase topológica é difícil em tal geometria fixa.

Por outro lado, uma das áreas de aplicação das fases topológicas da matéria que vem atraindo a atenção é a transferência de energia sem fio. A transferência de energia sem fio baseada na analogia de isoladores topológicos foi demonstrada em sistemas unidimensionais . A cadeia Harper e SSH composta por ressonadores LC acoplados foi utilizada para as demonstrações. A energia está localizada na borda da cadeia ressonadora LC unidimensional. O controle de direção e a transferência de potência de alta eficiência foram demonstrados usando os estados de borda topológicos. No entanto, a capacidade de transferência de energia sem fio em sistemas HOTI bidimensionais ainda não foi demonstrada. A transferência de energia sem fio em configurações bidimensionais é prospectiva para aplicações como carregamento de dispositivos móveis através de paredes ou mesas.