I fisici sviluppano un imbuto leggero utilizzando un effetto cutaneo non eremita


La figura mostra come la luce viene catturata attraverso l’imbuto di luce. Credito: University Rostock / Alexander Szameit

I fisici dell’Università di Wirzburg, in collaborazione con i colleghi dell’Università di Rostock, hanno sviluppato un apparato a imbuto leggero. Potrebbe servire come nuova piattaforma per rilevatori ottici ipersensibili.

Il professor Ronny Thomale ha una cattedra di fisica teorica della materia condensata, il TP1, presso l’Università Julius-Maximiliana di Wirzburg. La scoperta e la descrizione teorica dei nuovi stati quantistici della materia è un obiettivo primario della sua ricerca. “Sviluppare una teoria per un nuovo fenomeno fisico che poi ispira nuovi esperimenti alla ricerca di questo effetto è uno dei momenti più importanti nella pratica di un fisico teorico,” dice. In un caso ideale, un tale effetto sbloccherebbe anche un potenziale tecnologico inaspettato.

Tutto questo ha riunito un recente progetto che Thomale ha perseguito insieme al gruppo sperimentale ottico alexander Szameit dell’Università di Rostock i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista “Science”.

Dottor Ronny Thomale. Credito: Gunnar Bartsch / Università di Wuerzburg

Atterraggio spot in una fibra ottica lunga 10 chilometri

“Siamo riusciti a realizzare un effetto che chiamiamo un ‘funnel leggero'”, spiega Thomale. Attraverso questo nuovo effetto, la luce in una fibra ottica di 10 chilometri di lunghezza può essere accumulata in un punto specifico di scelta nel filo. Il meccanismo alla base di questo fenomeno è il cosiddetto “effetto cutaneo non eremita” a cui Thomale ha contribuito al lavoro teorico rilevante nel 2019. In particolare, il lavoro di Thomale ha permesso di comprendere l’effetto della pelle nel quadro impostato dagli stati topologici della materia.

La materia topologica si è evoluta in una delle aree di ricerca più vivaci della fisica contemporanea. Il campo è stato introdotto dalla ricerca sui semiconduttori di Gottfried Landwehr e Klaus von Klitzing (premio Nobel 1985), che nell’ultimo decennio è stato continuato da Laurens W. Molenkamp.

Ricerca sulla topologia della natura

Il termine topologia deriva dalle vecchie parole greche per “studio” e “luogo”. Fondata come disciplina prevalentemente matematica, ora si è diffusa ampiamente nella fisica, compresa l’ottica. Insieme ad altre piattaforme di materia sintetica, formano la direzione più ampia denominata metamateriali topologici di cui i ricercatori si aspettano innovazione tecnologica del futuro fondamentale.

Qui, i fisici non ricorrono esclusivamente a materiali e composizioni chimiche date dalla natura. Piuttosto, sviluppano nuovi cristalli sintetici composti da gradi artificiali di libertà su misura. Per quanto riguarda l’imbuto di luce sviluppato da Thomale e Szameit, la piattaforma di scelta è una fibra ottica che conduce la luce lungo la fibra ma allo stesso tempo consente una dettagliata manipolazione risolta spazialmente.

Rilevatori ottici ad alta sensibilità

“L’accumulo di luce raggiunto dall’imbuto luminoso potrebbe essere la base per migliorare la sensibilità dei rilevatori ottici e consentire così applicazioni ottiche senza precedenti”, spiega Thomale. Secondo Thomale, tuttavia, l’imbuto di luce è solo l’inizio. “Già in questa fase stiamo lavorando a molte nuove idee nel campo della fotonica topologica e della loro potenziale applicazione tecnologica.”

Per convinzione di Thomale, Wàrzburg offre un ambiente eccellente per perseguire questa direzione della ricerca. Questo si è recentemente manifestato nel cluster di eccellenza “ct.qmat” che è stato concesso congiuntamente al JMU di Wirzburg e TU Dresden. Un importante pilastro della ricerca di ct.qmat è incentrato sulla materia topologica sintetica, fortemente sostenuta dalla ricerca condotta sulla sedia TP1 di Thomale a Wirzburg.

Il team di ricerca a Rostock intorno Alexander Szameit è esclusivamente integrato in ct.qmat. Ad esempio, Thomale e Szameit supervisionano congiuntamente gli studenti di dottorato finanziariamente supportati attraverso ct.qmat. “Già pochi mesi dopo la sua fondazione, le sinergie create da ct.qmat ripagano e dimostrano l’impatto stimolante di tale cluster di eccellenza sulla ricerca all’avanguardia in Germania”, conclude Thomale.

Riferimento: “Incanto topologico della luce” di Sebastian Weidemann, Mark Kremer, Tobias Helbig, Tobias Hofmann, Alexander Stegmaier, Martin Greiter, Ronny Thomale e Alexander Szameit, 26 Mar 2020, Science.
DOI: 10.1126/scienza.aaz8727