Onde luminose fatte per scontrarsi come se fossero oggetti massicci – Physics World

Onde luminose fatte per scontrarsi come se fossero oggetti massicci – Physics World

Timestamp: 14 settembre 2023 4:00

Disegno schematico di una collisione di fotoni in un'interfaccia temporale, che mostra due onde che si propagano attraverso i quadranti di due orologi e un'esplosione di giallo nel punto in cui si incontrano
In entrata: disegno schematico di una collisione di fotoni in un'interfaccia temporale, che è un metamateriale che può subire cambiamenti improvvisi e grandi nelle sue proprietà elettromagnetiche. (Per gentile concessione: Anna Umana, Centro di ricerca scientifica avanzata presso il CUNY Graduate Center)

I fotoni possono scontrarsi come se fossero oggetti massicci grazie a metamateriali noti come interfacce temporali che subiscono bruschi cambiamenti nelle loro proprietà ottiche. Questa è la scoperta dei ricercatori della City University di New York, negli Stati Uniti, che affermano che il loro lavoro potrebbe avere applicazioni nelle comunicazioni wireless, nell'imaging e nelle tecnologie di raccolta dell'energia.

Quando due oggetti si scontrano, entrano in collisione e la loro energia cinetica si conserva, si perde o aumenta, a seconda delle loro proprietà meccaniche. Due fotoni (onde elettromagnetiche) invece generalmente si attraversano, anche se il loro incontro può manifestarsi attraverso fenomeni ondulatori come l'interferenza. Tuttavia, la situazione è molto diversa quando interferiscono con una struttura in perdita. In questo caso l'energia può passare tra loro in modo che venga interamente trasmessa o assorbita a seconda dell'ampiezza e della fase relativa dei fotoni. Tale “controllo coerente delle onde”, come è noto, può essere sfruttato per creare fenomeni come l’assorbimento perfetto – ovvero l’interferenza distruttiva delle onde quando la loro energia viene completamente dissipata – e per adattare la quantità di assorbimento come richiesto.

Ricercatori guidati da fisico e ingegnere Andrea Alù hanno ora dimostrato di poter creare una nuova forma di controllo sugli scambi di energia tra fotoni. Nel processo, hanno realizzato l’analogo fotonico di una collisione meccanica per le onde elettromagnetiche utilizzando metamateriali che possono subire cambiamenti improvvisi e grandi nelle loro proprietà elettromagnetiche. Queste variazioni hanno permesso al team di creare una struttura nota come interfaccia temporale.

“Quando due onde che si propagano in direzioni opposte sperimentano una tale interfaccia mentre si sovrappongono, sperimentano scambi di energia estremamente rapidi, come se fossero oggetti in collisione”, spiega Alù. “La fase relativa delle due onde può controllare la natura di questa collisione, che può conservare energia, dissiparla o amplificarla”. In questa forma di controllo delle onde coerenti nel tempo, le onde riflesse dall'interfaccia temporale interferiscono in modo distruttivo con le onde rifratte. In condizioni adeguate, ciò consente di cancellare una o addirittura entrambe le onde.

Modellare gli impulsi elettromagnetici

I ricercatori hanno avuto l’idea per il loro nuovo lavoro dopo essersi chiesti se fosse possibile cancellare un’onda meccanica indesiderata, come uno tsunami o un’onda sismica, “lanciando” contro di essa un’altra onda simile per contrastarla. “Mentre un simile risultato è impossibile nella fisica delle onde convenzionale, sapevamo che era possibile, in linea di principio, con un metamateriale temporale”, afferma Emanuele Galiffi, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Alù e autore principale di uno studio in Fisica della natura sul lavoro. “Il nostro esperimento ci ha permesso di dimostrare questo concetto in azione per le onde elettromagnetiche”.

Questo analogo fotonico delle collisioni meccaniche potrebbe essere utilizzato anche per modellare gli impulsi elettromagnetici facendoli collidere l’uno contro l’altro. I ricercatori hanno dimostrato tale modellamento per le onde elettromagnetiche nel regime delle microonde e ora mirano a raggiungere questo obiettivo a frequenze più elevate utilizzando dispositivi come transistor al grafene ad alta velocità invece delle interfacce temporali.

Timestamp:

Di più da Mondo della fisica