Guida alla lettura:
L’Università di Würzburg ha collaborato con i fisici dell’Università di Rostock per sviluppare un dispositivo a imbuto ottico. Sfruttando il meccanismo fisico dell’«effetto pelle non hermitiano», il gruppo di ricerca guidato dal professor Alexander Szameit dell’Università di Rostock è riuscito a concentrare in un punto specifico il segnale luminoso in una fibra ottica lunga 10 chilometri, realizzando un «imbuto ottico». Il dispositivo può essere utilizzato come nuova piattaforma per rivelatori ottici ipersensibili. Ronny Thomale è professore di fisica teorica della materia condensata presso l’Università Julius-Maximilian di Würzburg. Scoprire e descrivere teoricamente nuovi stati quantistici della materia è uno dei suoi principali ambiti di ricerca. «Nella pratica di un fisico teorico, uno dei momenti più entusiasmanti è sviluppare una teoria per un nuovo fenomeno fisico e poi cercare nuovi esperimenti che permettano di osservare questo effetto», ha affermato.
Contesto della ricerca:
La materia topologica è diventata uno dei campi più attivi della fisica moderna. Il termine topologia, che deriva dal greco antico e unisce i significati di «studio» e «luogo», indica una disciplina matematica che oggi si è ampiamente diffusa nella fisica, compresa l’ottica. I materiali topologici, insieme ad altri materiali sintetici, costituiscono una direzione di ricerca più ampia: i metamateriali topologici. Non accontentandosi degli ingredienti fisici e chimici forniti dalla natura, i fisici hanno sviluppato cristalli sintetici costituiti da gradi di libertà progettati artificialmente. L’imbuto di luce sviluppato da Thomale e Szameit utilizza una fibra topologica che conduce la luce lungo la fibra consentendo al tempo stesso una risoluzione spaziale dettagliata. Nello studio dei sistemi periodici, questi vengono spesso approssimati come «infinitamente estesi», perché piccole variazioni al bordo non causano deviazioni evidenti del sistema. Di recente, però, è stato proposto che quando in alcuni sistemi le proprietà non hermitiane non derivano da guadagni e perdite, ma dalla presenza di un’interfaccia in un reticolo anisotropo che porta alla localizzazione di tutti gli automodi su tale interfaccia, si verifica un fenomeno chiamato «effetto pelle non hermitiano». Questo effetto ha acceso nei sistemi topologici non hermitiani un vivace dibattito sulla validità della corrispondenza bulk-bordo (BBC). La BBC è un concetto importante della fisica topologica, che presuppone la coesistenza di bulk e bordi e consente di prevedere le proprietà dei bordi a partire dalle grandezze del bulk. Il gruppo ha realizzato un reticolo fotonico non hermitiano controllando l’accoppiamento anisotropo. La comparsa dell’interfaccia provoca il collasso dell’intero spettro dei modi propri e la localizzazione esponenziale di tutti i modi sull’interfaccia. Di conseguenza, qualsiasi campo luminoso nel reticolo, indipendentemente dalla sua forma e dalla posizione di ingresso, si sposta verso questa interfaccia: un fenomeno topologico noto come «effetto pelle non hermitiano». Sulla base di questo fenomeno, il gruppo ha dimostrato un imbuto di luce efficiente, in grado di concentrare in un punto specifico i segnali luminosi provenienti da una fibra lunga 10 chilometri e applicabile a rivelatori ottici ad alta sensibilità.
Ricerca innovativa: concentrare il segnale luminoso in una fibra lunga 10 chilometri
Il gruppo ha ottenuto un effetto chiamato «imbuto ottico»: sfruttando l’«effetto pelle non hermitiano», i segnali luminosi in una fibra ottica lunga 10 chilometri possono essere concentrati in un punto specifico della fibra. Il metodo è il seguente: controllando l’accoppiamento anisotropo nell’anello di fibra ottica, si collegano reticoli con direzioni di anisotropia diverse per produrre l’effetto imbuto della luce. Questo effetto dipende dall’effetto pelle non hermitiano causato dall’accoppiamento anisotropo e dalle sue caratteristiche topologiche non banali. Il lavoro permette di comprendere l’effetto pelle nel quadro degli stati topologici della materia. Il gruppo ha confrontato due modelli: 1) il modello SSH hermitiano (fig. 2A), costituito da catene reticolari con accoppiamento tra primi vicini e costanti di accoppiamento alternate, con accoppiamento alternato e isotropo, indicato dalle diverse sfumature delle frecce arancioni; 2) il modello dell’effetto pelle (fig. 2B), con accoppiamento alternato e anisotropo, indicato da frecce nere di dimensioni diverse: questa anisotropia rende il sistema non hermitiano.