effetti topologici, come quelli che si trovano nei cristalli le cui superfici conducono elettricità mentre la loro massa no, sono stati un argomento entusiasmante della ricerca in fisica negli ultimi anni e sono stati oggetto del Premio Nobel 2016 per la fisica. Ora, un team di ricercatori del MIT e altrove ha scoperto nuovi fenomeni topologici in una diversa classe di sistemi:sistemi aperti, dove energia o materiale possono entrare o essere emessi, al contrario dei sistemi chiusi senza tale scambio con l'esterno.

Questo potrebbe aprire nuovi regni della ricerca fisica di base, la squadra dice e potrebbe infine portare a nuovi tipi di laser e altre tecnologie.

I risultati sono stati riportati questa settimana sul giornale Scienza , in un articolo del recente laureato al MIT Hengyun "Harry" Zhou, Chao Peng, visiting scholar del MIT (professore all'Università di Pechino), Yoseob Yoon, studente laureato del MIT, i neolaureati del MIT Bo Zhen e Chia Wei Hsu, Professore del MIT Marin Soljačić, il professore di fisica Francis Wright Davis John Joannopoulos, il professore di chimica Haslam e Dewey Keith Nelson, e il professor Liang Fu, assistente allo sviluppo della carriera di Lawrence C. e Sarah W. Biedenharn.

Nella maggior parte delle ricerche nel campo degli effetti fisici topologici, Soljačić dice, cosiddetti sistemi "aperti", in termini fisici, questi sono conosciuti come sistemi non hermitiani, non sono stati studiati molto nel lavoro sperimentale. Le complessità coinvolte nella misurazione o nell'analisi dei fenomeni in cui energia o materia possono essere aggiunte o perse attraverso la radiazione rendono generalmente questi sistemi più difficili da studiare e analizzare in modo controllato.

Ma in questo lavoro, il team ha utilizzato un metodo che ha reso accessibili questi sistemi aperti, e "abbiamo trovato interessanti proprietà topologiche in questi sistemi non hermitiani, " dice Zhou. In particolare, hanno trovato due tipi specifici di effetti che sono firme topologiche distintive dei sistemi non hermitiani. Uno di questi è una sorta di caratteristica della band a cui si riferiscono come un arco di Fermi alla rinfusa, e l'altro è un tipo insolito di polarizzazione che cambia, o orientamento delle onde luminose, emessa dal cristallo fotonico utilizzato per lo studio.

I cristalli fotonici sono materiali in cui vengono realizzati miliardi di minuscoli fori sagomati e orientati in modo molto preciso, facendo sì che la luce interagisca in modi insoliti con il materiale. Tali cristalli sono stati attivamente studiati per le interazioni esotiche che inducono tra luce e materia, che contengono il potenziale per nuovi tipi di sistemi informatici basati sulla luce o dispositivi a emissione di luce. Ma mentre gran parte di questa ricerca è stata condotta utilizzando sistemi chiusi, sistemi hermitiani, la maggior parte delle potenziali applicazioni del mondo reale coinvolgono sistemi aperti, quindi le nuove osservazioni fatte da questo team potrebbero aprire intere nuove aree di ricerca, dicono i ricercatori.

archi di Fermi, uno dei fenomeni unici riscontrati dal team, sfidare l'intuizione comune che i contorni energetici siano necessariamente curve chiuse. Sono stati osservati in precedenza in sistemi chiusi, ma in quei sistemi si formano sempre sulle superfici bidimensionali di un sistema tridimensionale. Nel nuovo lavoro, per la prima volta, i ricercatori hanno scoperto un arco di Fermi che risiede nella maggior parte di un sistema. Questo grosso arco di Fermi collega due punti nelle direzioni di emissione, che sono noti come punti eccezionali, un'altra caratteristica dei sistemi topologici aperti.

L'altro fenomeno che hanno osservato consiste in un campo di luce in cui la polarizzazione cambia a seconda della direzione di emissione, formando gradualmente una mezza torsione mentre si segue la direzione lungo un anello e si ritorna al punto di partenza. "Mentre giri intorno a questo cristallo, la polarizzazione della luce in realtà si capovolge, " dice Zhou.

Questa mezza torsione è analoga a un nastro di Möbius, lui spiega, in cui una striscia di carta viene attorcigliata di mezzo giro prima di collegarla all'altra estremità, creando una band che ha un solo lato. Questa svolta simile a Möbius nella polarizzazione della luce, Zhen dice, potrebbe in teoria portare a nuovi modi per aumentare la quantità di dati che potrebbero essere inviati tramite collegamenti in fibra ottica.

Il nuovo lavoro è "principalmente di interesse scientifico, piuttosto che tecnologico, " dice Soljačić. Zhen aggiunge che "ora abbiamo questa tecnica molto interessante per sondare le proprietà dei sistemi non hermitiani". Ma c'è anche la possibilità che il lavoro possa alla fine portare a nuovi dispositivi, compresi nuovi tipi di laser o dispositivi a emissione di luce, dicono.

Le nuove scoperte sono state rese possibili da precedenti ricerche di molti degli stessi membri del team, in cui hanno trovato il modo di utilizzare la luce diffusa da un cristallo fotonico per produrre immagini dirette che rivelano i contorni energetici del materiale, piuttosto che dover calcolare quei contorni indirettamente.

"Avevamo la sensazione" che un simile comportamento a metà fosse possibile e potesse essere "abbastanza interessante, "Soljačić dice, ma in realtà trovarlo ha richiesto "un bel po' di ricerche per capire, come lo realizziamo?"

"Forse l'aspetto più geniale di questo lavoro è che gli autori sfruttano il fatto che il loro sistema deve necessariamente perdere fotoni, che di solito è un ostacolo e un fastidio, per accedere alla nuova fisica topologica, "dice Mikael Rechtsman, un assistente professore di fisica alla Pennsylvania State University che non era coinvolto in questo lavoro. "Senza la perdita... questo avrebbe richiesto metodi di fabbricazione 3D altamente complessi che probabilmente non sarebbero stati possibili". In altre parole, lui dice, la tecnica che hanno sviluppato "ha dato loro accesso alla fisica 2-D che sarebbe stata convenzionalmente ritenuta impossibile".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.