Crediti:Shixiong Yin, Emanuele Galiffi e Andrea Alù
I metamateriali, mezzi artificiali con strutture di lunghezza d'onda su misura, hanno ora abbracciato un'ampia gamma di nuove proprietà che non sono disponibili in natura. Questo campo di ricerca si è esteso a diverse piattaforme d'onda, portando alla scoperta e alla dimostrazione di una ricchezza di fenomeni ondulatori esotici. Più recentemente, i concetti metamateriali sono stati estesi al dominio temporale, aprendo la strada a concetti completamente nuovi per il controllo delle onde, come la propagazione non reciproca, l'inversione temporale, nuove forme di guadagno ottico e resistenza.
Nel frattempo, il concetto di materia progettuale ha anche ispirato importanti sforzi di ricerca nella fisica della materia condensata, ampliando l'orizzonte delle fasi note della materia. Di particolare interesse è stata la recente attività in materia Floquet, caratterizzata da modulazioni periodiche imposte, ad es. tramite un forte impulso ottico, sul panorama energetico sperimentato dagli elettroni in un sistema, alterando così drasticamente la loro dinamica di stato stazionario.
In un nuovo articolo di Perspective pubblicato su eLight , un team di scienziati guidato dal professor Andrea Alù della City University di New York (CUNY) indica la finestra di opportunità offerta dalla confluenza tra materia Floquet e metamateriali. Il loro documento Prospettiva mette in evidenza le interessanti opportunità che emergono dalle loro sinergie.
Un ambito in cui la fisica di Floquet ha recentemente trovato terreno fertile è quello degli isolanti topologici, materiali che ospitano onde immuni dalla dispersione di impurità o disordine in un materiale e la cui scoperta ha portato al Premio Nobel per la Fisica 2016. Gli isolanti topologici statici tipicamente traggono le loro proprietà esotiche dalla loro specifica disposizione cristallina spaziale o dall'applicazione di un campo magnetico. Tuttavia, la modulazione temporale periodica in un sistema Floquet può anche produrre un campo magnetico efficace sintetico, che non è esclusivo degli elettroni, ma può quindi essere realizzato per onde elettromagnetiche (fotoni), vibrazioni elastiche in un materiale solido o aria (fononi), o anche le onde dell'acqua, che normalmente non subiscono gli effetti di un campo magnetico fisico.
Le implementazioni ottiche dei sistemi Floquet sono state tradizionalmente realizzate sostituendo la direzione temporale con una spaziale. Tuttavia, secondo il teorema di Noether, le disomogeneità temporali implicano intrinsecamente la presenza di guadagno e perdita in un sistema:l'assunto comune della conservazione dell'energia non vale generalmente in uno scenario del genere, per cui l'energia viene scambiata con il meccanismo esterno (che agisce come un'energia bagno) esercitando la modulazione del tempo. A causa della loro dinamica intrinseca di non equilibrio, i sistemi topologici Floquet possono ospitare caratteristiche uniche non disponibili all'interno delle loro controparti statiche.
Parallelamente, i metamateriali consentono la personalizzazione di interazioni estreme onda-materia e la dimensione temporale è recentemente emersa come un nuovo grado di libertà per progettare dinamiche ondulatorie esotiche. Ciò ha incluso l'inversione temporale (vale a dire l'analogo temporale della riflessione al confine tra due mezzi), la non reciprocità (propagazione dell'onda dipendente dalla direzione in un materiale) e molti altri effetti. È importante sottolineare che il concetto di metamateriale si è ora ampliato nella maggior parte dei regni delle onde, offrendo una piattaforma ideale in cui i concetti originati nella comunità dei fisici di Floquet possono fiorire e trovare un ricco terreno di gioco sperimentale.
Tuttavia, l'ampiezza della fisica delle onde racchiusa dai concetti metamateriali porta anche le sue complessità esotiche e la ricchezza di raffinatezza fisica. Ad esempio, la maggior parte dei sistemi fotonici presenta un ritardo temporale intrinseco nella risposta a un'onda che colpisce, che è tipicamente assente quando si risolve l'equazione di Schrodinger per le onde della materia come gli elettroni. Questo effetto, chiamato dispersione (che si trova dietro la divisione della luce bianca nei colori dell'arcobaleno da un prisma, ad esempio), introduce un ricco terreno di gioco per la progettazione di nuove forme di risposta dei materiali quando le proprietà del materiale vengono modificate nel tempo a velocità ultraveloci. Questi cambiamenti ultraveloci (più veloci del periodo d'onda) nelle proprietà dei materiali imitano, nel dominio temporale, quelli che nel campo dei metamateriali vengono chiamati meta-atomi:questi sono i mattoni fondamentali la cui risposta individuale e disposizione periodica, danno origine alle proprietà emergenti di un metamateriale.
Quindi, adattare lo specifico cambio temporale applicato a una metastruttura apre una strada inesplorata per la progettazione di metamateriali Floquet, strutture in cui la sinergia tra la risposta di singoli metaatomi temporali e il loro comportamento Floquet emergente può essere sfruttata per la progettazione di nuove forme di interazione onda-materia. Pertanto, questa confluenza promette di arricchire entrambi i campi con lo sviluppo di nuovi concetti fondamentali, nonché una ricchezza di opportunità per implementazioni sperimentali in tutti i regni d'onda (classici). + Esplora ulteriormente
