All'interno del cristallo, la luce gira in circolo e i ricercatori hanno osservato, per la prima volta, che forma bande di energia discrete chiamate livelli di Landau, che sono paralleli a un fenomeno ben noto osservato negli elettroni.

Questa scoperta potrebbe indicare nuovi modi per aumentare l'interazione della luce con la materia, un progresso che ha il potenziale per migliorare le tecnologie fotoniche, come i laser molto piccoli.

Questo lavoro, condotto da ricercatori della Penn State, si basava su una precedente previsione teorica dei membri del team, il professore di fisica della Penn State Mikael Rechtsman, dello studente laureato della Penn State Jonathan Guglielmon e del matematico della Columbia University Michael Weinstein.

Un articolo che descrive gli esperimenti è stato pubblicato il 23 aprile sulla rivista Nature Photonics insieme a un altro articolo di un gruppo separato di ricercatori nei Paesi Bassi, guidati da Ewold Verhagen, che hanno osservato in modo indipendente lo stesso fenomeno.

"Per le particelle cariche come gli elettroni, ci sono molti aspetti fisici interessanti che derivano dalle loro interazioni con i campi magnetici", ha affermato Rechtsman, il leader del gruppo di ricerca. "Per questo motivo, c'è stato un interesse nell'emulare questa fisica per i fotoni, che non sono carichi e quindi non rispondono ai campi magnetici."

Quando gli elettroni confinati su una superficie bidimensionale sono esposti a un forte campo magnetico, si muovono in orbite circolari, o "ciclotrone". Il movimento di queste orbite viene quantizzato:gli elettroni vengono vincolati a determinate energie discrete, chiamate livelli di Landau.

"I livelli di Landau sono in qualche modo simili ai livelli energetici degli orbitali elettronici attorno al nucleo di un atomo", ha detto Rechtsman. "In un atomo, i livelli energetici risultano dall'attrazione di elettroni carichi negativamente verso il nucleo carico positivamente, mentre i livelli di Landau derivano dall'interazione degli elettroni con un campo magnetico. Abbiamo utilizzato un metodo per emulare un campo magnetico, chiamato pseudomagnetico campo—per la luce manipolando con precisione la struttura di un cristallo fotonico."

Il gruppo di ricerca crea questi cristalli in minuscole lastre di silicio, simili a quelle utilizzate per realizzare i chip dei computer, presso il Nanofabrication Laboratory all'interno del Materials Research Institute della Penn State. Creano un reticolo di fori a nido d'ape all'interno della lastra di silicio, che è solo 1/1000 dello spessore di un capello umano.

I ricercatori puntano la luce laser sulla lastra contenente il cristallo e il modello reticolare fa rimbalzare parte della luce all’interno del cristallo. Il team può quindi misurare lo spettro della luce quando esce dal cristallo. Per imitare gli effetti di un campo magnetico, i ricercatori aggiungono una "deformazione" alla struttura del reticolo.

"Per il reticolo non vincolato, abbiamo fabbricato una struttura a nido d'ape composta da fori triangolari su scala nanometrica che si ripete in tutto lo spazio in uno schema bidimensionale", ha spiegato Rechtsman. "Per aumentare la tensione, abbiamo realizzato un'altra lastra, deformando però il disegno. Il nuovo disegno sembra come se avessimo tirato verso l'alto sui due lati, mentre tiravamo verso il basso il lato inferiore."

Quando i ricercatori puntano il laser nel reticolo non tensionato, la luce si diffonde uniformemente nel cristallo. Nel reticolo teso, la luce si muove invece in circolo e lo spettro energetico della luce cambia, formando bande discrete proprio come i livelli di Landau. A differenza dei livelli di Landau negli elettroni, le bande energetiche non sono piatte. Invece, sono curvi, cosa che secondo i ricercatori risulta dal modello curvo nel cristallo teso.

"La natura curva delle bande è nota come dispersione", ha detto Rechtsman. "Per cercare di mitigare la dispersione, abbiamo aggiunto una tensione aggiuntiva al modello. Questa tensione aggiuntiva, che agisce come un potenziale pseudo-elettrico, contrasta la dispersione, dandoci livelli di Landau a banda piatta proprio come quelli degli elettroni."

Le bande piatte rappresentano una concentrazione di fotoni a determinate energie discrete, fornendo una strada per aumentare l'interazione della luce con la materia.

"Ci sono un sacco di applicazioni in cui l'aumento dell'interazione tra luce e materia può migliorare la loro funzione", ha detto Rechtsman. "Quando hai bande piatte, significa che la luce rimane in un punto più a lungo, il che significa che qualunque cosa tu stia cercando di fare con la luce, puoi farlo in modo più efficiente. In questo momento, stiamo esaminando se possiamo utilizzare questo progetto per laser più efficienti su chip fotonici."