I fisici dell'Università di Rostock, del Cluster of Excellence ct.qmat, dell'Università Julius-Maximilians di Würzburg e dell'Indiana University Indianapolis (IUPUI) hanno dimostrato per la prima volta che la luce può propagarsi senza alcuna perdita nei sistemi che interagiscono con l'ambiente . In precedenza, si presumeva che tali sistemi aperti avrebbero inevitabilmente mostrato un'amplificazione o uno smorzamento esponenziale della luce e quindi avrebbero portato all'instabilità del sistema.

Questi nuovi risultati sono stati recentemente pubblicati su Nature Materials . I risultati potrebbero diventare la base per lo sviluppo futuro di nuovi robusti circuiti per l'elettricità, la luce e le onde sonore.

Che si tratti di descrivere le orbite dei pianeti o il funzionamento interno dell'atomo, un paradigma chiave in fisica è la conservazione dell'energia. Sebbene diverse forme di energia possano essere convertite l’una nell’altra, si presume generalmente che la quantità totale di energia sia costante nel tempo. Pertanto, i fisici tendono solitamente ad assicurarsi che il sistema che stanno cercando di descrivere non interagisca con il suo ambiente.

Tuttavia, a quanto pare, la dinamica di un sistema può essere stabile anche se il guadagno e la perdita di energia sono distribuiti in modo sistematico in modo tale da annullarsi a vicenda in tutte le condizioni immaginabili, cosa che può essere garantita dalla cosiddetta parità -simmetria temporale (PT).

Simile a un video che viene riprodotto all'indietro e contemporaneamente si riflette in uno specchio e tuttavia appare esattamente come il video originale, cioè è simmetrico PT, i componenti del sistema sono disposti in modo tale che uno scambio di guadagno e perdita di la luce attraverso il mirroring simultaneo e l'inversione del tempo fa apparire il sistema immutato.

Lungi dall'essere una nozione puramente accademica, la simmetria PT ha aperto la strada a una comprensione più profonda dei sistemi aperti.

Gli affascinanti fenomeni fisici associati alla simmetria PT sono la specialità del professor Alexander Szameit e del suo team dell'Università di Rostock. Nei loro chip fotonici personalizzati, la luce laser può imitare il comportamento dei materiali naturali e sintetici disposti in strutture reticolari periodiche, rendendoli un banco di prova ideale per un'ampia varietà di teorie fisiche.

In questo modo il professor Szameit e il suo team sono riusciti a combinare la simmetria PT con il concetto di topologia. La topologia studia le proprietà che non cambiano nonostante il sistema sottostante sia continuamente deformato. Tali proprietà rendono quindi un sistema particolarmente robusto contro le influenze esterne.

Per i loro esperimenti, il gruppo di ricerca di Szameit utilizza guide d'onda fotoniche incise al laser, strutture ottiche scritte in un materiale da un raggio laser. In questi "circuiti per la luce" vengono realizzati i cosiddetti isolanti topologici. Szameit spiega:"Questi isolanti hanno attirato molta attenzione negli ultimi anni a causa della loro affascinante capacità di convogliare un flusso senza perdite di elettroni o luce lungo il loro confine. La capacità unica di sopprimere l'impatto dei difetti e della dispersione li rende particolarmente interessanti per tutti tipi di applicazioni tecnologiche."

Tuttavia, fino ad ora, si riteneva che stati limite così robusti fossero fondamentalmente incompatibili con i sistemi aperti. Nel loro sforzo congiunto, i ricercatori di Rostock, Würzburg e Indianapolis sono riusciti a dimostrare che l'apparente paradosso può essere risolto distribuendo dinamicamente guadagni e perdite nel tempo.

Primo primo autore, Ph.D. Lo studente Alexander Fritzsche, spiega:"La luce che si propaga lungo il confine del nostro sistema aperto è come un escursionista che attraversa un terreno montuoso. Nonostante tutti gli alti e bassi, inevitabilmente ritorneranno all'elevazione iniziale del punto di partenza.

"Allo stesso modo, la luce che si propaga all'interno del canale protetto del bordo del nostro isolante topologico simmetrico PT non sarà mai esclusivamente amplificata o smorzata e potrà quindi mantenere la sua ampiezza media godendo al tempo stesso della piena robustezza offerta dalla topologia."

Questi risultati rappresentano un contributo importante alla comprensione fondamentale degli isolanti topologici e dei sistemi aperti e potrebbero aprire le porte a una nuova generazione di circuiti avanzati per l'elettricità, la luce o anche le onde sonore.

Ulteriori informazioni: Alexander Fritzsche et al, Isolante topologico fotonico simmetrico e paritario, Materiali naturali (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01773-0

Informazioni sul giornale: Materiali naturali

Fornito dall'Università di Rostock