Fotoni intrappolati in uno stato eccezionale

C’è un punto in cui alcune proprietà ottiche dei sistemi fotonici che confinano la luce cambiano repentinamente. Raggiungerlo e replicarne le condizioni è la sfida vinta dai fisici fiorentini che hanno riprodotto questo stato di transizione e lo hanno identificato con una tecnica spettroscopica ad alta risoluzione.

Nella branca della nanofotonica “exceptional point” è un punto di transizione quasi irraggiungibile. Riuscire a riprodurlo e maneggiarlo rappresenta un avanzamento cruciale nel campo della sensoristica poiché permette di ottenere un notevole incremento  nella  sensibilità. Il team di ricercatori del Dipartimento di Fisica e astronomia e del Laboratorio di spettroscopie non lineari (Lens), coordinato da Massimo Gurioli e da Niccolò Caselli –  vincitore nel 2015 del Premio Firenze University Press per la sua tesi di dottorato -, ha descritto e riprodotto in un esperimento le condizioni in cui è possibile osservare tale stato di transizione, documentandolo sulla rivista Nature Communications (“Generalized Fano lineshapes reveal exceptional points in photonic molecules”).

“Abbiamo descritto e riprodotto un metodo che potrà essere utilizzato in vari ambiti della nanofotonica e che permetterà di controllare le proprietà dei sistemi fotonici – spiega Gurioli, docente di Fisica della materia -, aprendo la strada a varie applicazioni, dai sensori ottici ad altissima precisione a sistemi laser bistabili.”

“Nella transizione tra due regimi distinti di interazione, detti di accoppiamento forte e debole fra risuonatori ottici – spiega ancora il docente -, il segnale ottico si viene a trovare in uno stato anomalo, l’“exceptional point”, causato, matematicamente, dalla rottura della simmetria di parità e inversione temporale. In corrispondenza di tale situazione, diversi fenomeni di grande interesse sono stati teorizzati e quindi osservati, come transizioni di fase quantistiche, insorgenza di caos, propagazione non reciproca, trasparenza indotta, per citarne alcuni. Tuttavia la realizzazione sperimentale del punto eccezionale in cui avvienequesta transizione è complicata da ottenere e da determinare”.

I ricercatori hanno disegnato un sistema, il più vicino possibile al punto di transizione, modificandone poi sperimentalmente i parametri, in modo controllato e con alta risoluzione, per ottenere la condizione esatta descritta dalla teoria e renderne possibile la rivelazione attraverso un’innovativa tecnica spettroscopica.

 

Nell’immagine, lo schema del sistema creato dai ricercatori: due risonatori nanofotonici interagenti (in cui l’accoppiamento è rappresentato dalle frecce blu) intrappolano la luce nello stato di exceptional point. Nella parte destra dell’immagine è rappresentata la prova spettroscopica della transizione attraverso lo stato eccezionale.

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