Figura 1. Il profilo di intensità spaziale di un raggio laser che si propaga in un mezzo non lineare diventa spontaneamente non uniforme a causa del processo di instabilità modulazionale. Credito:Istituto per le scienze di base
Conosciamo meglio le quattro fasi convenzionali della materia:solido, liquido, gas, e plasma. Cambiamenti tra due fasi, note come transizioni di fase, sono contrassegnati da bruschi cambiamenti nelle proprietà del materiale come la densità. Negli ultimi decenni un ampio corpus di ricerche fisiche è stato dedicato alla scoperta di nuove fasi non convenzionali della materia, che emergono tipicamente a temperature ultra basse o in materiali appositamente strutturati. Le fasi "topologiche" esotiche mostrano proprietà che possono cambiare solo in modo quantizzato (per gradi), rendendoli intrinsecamente robusti contro impurità e difetti.
Oltre agli stati topologici della materia, fasi topologiche della luce possono emergere in alcuni sistemi ottici come i cristalli fotonici e gli array di guide d'onda ottiche. Gli stati topologici della luce sono interessanti in quanto possono costituire la base per future tecnologie di comunicazione basate sulla luce ad alta efficienza energetica come laser e circuiti ottici integrati.
Però, ad alta intensità la luce può modificare le proprietà del materiale sottostante. Un esempio di tale fenomeno è il danno che i laser ad alta potenza possono infliggere agli specchi e alle lenti. Questo a sua volta influenza la propagazione della luce, formando un ciclo di feedback non lineare. Gli effetti ottici non lineari sono essenziali per il funzionamento di alcuni dispositivi come laser, ma possono portare all'emergere di disordine dall'ordine in un processo noto come instabilità modulazionale, come mostrato nella Figura 1. La comprensione dell'interazione tra topologia e non linearità è un affascinante argomento di ricerca in corso.
Daniel Leykam, Aleksandra Maluckov, e Sergej Flach al Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS, Corea del Sud), insieme alle colleghe Ekaterina Smolina e Daria Smirnova dell'Istituto di Fisica Applicata, Accademia Russa delle Scienze e Università Nazionale Australiana, hanno proposto un nuovo metodo per caratterizzare le fasi topologiche della luce utilizzando instabilità non lineari esibite da fasci luminosi di luce. Questa ricerca è stata pubblicata in Lettere di revisione fisica .
Figura 2. Profilo di polarizzazione in campo lontano dei raggi laser dopo lo sviluppo dell'instabilità modulazionale. Le fasi topologiche banali e non banali possono essere distinte contando il numero di vortici nell'angolo di polarizzazione. Non ci sono vortici nella fase banale (a sinistra), e una coppia di vortici di carica opposta nella fase non banale (a destra). Credito:Istituto per le scienze di base
In questo lavoro, i ricercatori hanno affrontato la questione fondamentale di come le fasi topologiche della luce nei supporti ottici non lineari subiscono il processo di instabilità modulazionale. È stato dimostrato teoricamente che alcune caratteristiche dell'instabilità, come il suo tasso di crescita, possono differire tra le diverse fasi topologiche. I ricercatori hanno eseguito simulazioni numeriche dell'instabilità modulazionale e hanno dimostrato che può essere utilizzata come strumento per identificare diverse fasi topologiche della luce. Un esempio di questa idea è mostrato nella Figura 2:mentre i fasci di luce generati dall'instabilità hanno modelli di intensità apparentemente casuali, mostrano un ordine nascosto nella loro polarizzazione sotto forma di robusti vortici. Il numero di vortici che appaiono come risultato dell'instabilità è quantizzato, e possono essere utilizzati per distinguere diverse fasi topologiche.
Il modo più comune per identificare le fasi topologiche della luce è stato quello di guardare i bordi del materiale, dove determinate lunghezze d'onda ottiche vengono localizzate. Però, una caratterizzazione completa richiede la misurazione delle proprietà di volume del materiale, che è un compito molto più difficile. La luce nel materiale sfuso subisce complicate interferenze d'onda ed è altamente sensibile ai difetti, che ne oscura le proprietà topologiche. Controintuitivamente, i ricercatori hanno mostrato come le instabilità non lineari possono essere utilizzate per domare questa interferenza indesiderata e codificare spontaneamente le proprietà topologiche di massa del materiale in fasci di luce. Questo approccio fornisce un modo più semplice per sondare e forse anche generare stati topologici di luce.
Il prossimo passo sarà testare questa proposta in un esperimento. Per esempio, le matrici di guide d'onda ottiche inscritte in un vetro saranno una piattaforma ideale per questo scopo. Facendo brillare un raggio laser a impulsi luminosi nel vetro, dovrebbe essere possibile osservare direttamente l'instabilità modulazionale e quindi misurare le proprietà topologiche dell'array di guide d'onda. Il gruppo di ricerca sta attualmente discutendo con i collaboratori possibili progetti per la verifica sperimentale della loro teoria.
