Gli scienziati hanno scoperto un modo elegante di manipolare la luce usando una forza "sintetica" di Lorentz, che in natura è responsabile di molti fenomeni affascinanti tra cui l'aurora boreale.

Un team di fisici teorici dell'Università di Exeter ha sperimentato una nuova tecnica per creare campi magnetici artificiali sintonizzabili, che consentono ai fotoni di imitare la dinamica delle particelle cariche nei campi magnetici reali.

Il team ritiene che la nuova ricerca, pubblicato nella principale rivista Fotonica della natura , potrebbe avere importanti implicazioni per i futuri dispositivi fotonici in quanto fornisce un nuovo modo di manipolare la luce al di sotto del limite di diffrazione.

Quando le particelle cariche, come gli elettroni, passano attraverso un campo magnetico sentono una forza di Lorentz a causa della loro carica elettrica, che curva la loro traiettoria attorno alle linee del campo magnetico.

Questa forza di Lorentz è responsabile di molti fenomeni affascinanti, che vanno dalla splendida aurora boreale, al famoso effetto quantum-hall la cui scoperta è valsa il premio Nobel.

Però, perché i fotoni non portano una carica elettrica, non possono essere controllati direttamente utilizzando campi magnetici reali poiché non subiscono una forza di Lorentz; una severa limitazione dettata dalle leggi fondamentali della fisica.

Il team di ricerca ha dimostrato che è possibile creare campi magnetici artificiali per la luce distorcendo le metasuperfici a nido d'ape, superfici 2-D ultrasottili progettate per avere una struttura su una scala molto più piccola della lunghezza d'onda della luce.

Il team di Exeter è stato ispirato da una scoperta straordinaria dieci anni fa, dove è stato dimostrato che gli elettroni che si propagano attraverso una membrana di grafene tesa si comportano come se fossero sottoposti a un grande campo magnetico.

Il principale svantaggio di questo approccio di ingegneria della deformazione è che per sintonizzare il campo magnetico artificiale è necessario modificare il modello di deformazione con precisione, che è estremamente impegnativo, se non impossibile, a che fare con le strutture fotoniche.

I fisici di Exeter hanno proposto un'elegante soluzione per superare questa fondamentale mancanza di accordabilità.

Charlie Ray Mann, lo scienziato capo e autore dello studio, spiega:"Queste metasuperfici, supportare eccitazioni ibride di materia leggera, chiamati polaritoni, che sono intrappolati sulla metasuperficie.

"Vengono quindi deviati dalle distorsioni nella metasuperficie in modo simile a come i campi magnetici deviano le particelle cariche.

"Sfruttando la natura ibrida dei polaritoni, mostriamo che è possibile sintonizzare il campo magnetico artificiale modificando il reale ambiente elettromagnetico che circonda la metasuperficie."

Per lo studio, i ricercatori hanno incorporato la metasuperficie tra due specchi, nota come cavità fotonica, e mostrano che si può sintonizzare il campo magnetico artificiale modificando solo la larghezza della cavità fotonica, eliminando così la necessità di modificare la distorsione nella metasuperficie.

Charlie ha aggiunto:"Abbiamo persino dimostrato che è possibile disattivare completamente il campo magnetico artificiale a una larghezza critica della cavità, senza dover rimuovere la distorsione nella metasuperficie, qualcosa che è impossibile fare con il grafene o qualsiasi sistema che emuli il grafene.

"Usando questo meccanismo puoi piegare la traiettoria dei polaritoni usando una forza sintonizzabile simile a Lorentz e anche osservare la quantizzazione di Landau delle orbite del ciclotrone del polaritone, in diretta analogia con ciò che accade alle particelle cariche nei campi magnetici reali.

"Inoltre, abbiamo dimostrato che è possibile riconfigurare drasticamente lo spettro del livello di Landau del polaritone semplicemente modificando la larghezza della cavità."

Dott. Eros Mariani, il supervisore principale dello studio, ha affermato:"Essere in grado di emulare fenomeni con fotoni che di solito si pensa siano esclusivi delle particelle cariche è affascinante da un punto di vista fondamentale, ma potrebbe anche avere importanti implicazioni per le applicazioni fotoniche.

"Siamo entusiasti di vedere dove porterà questa scoperta, in quanto pone molte domande intriganti che possono essere esplorate in molte piattaforme sperimentali diverse attraverso lo spettro elettromagnetico."