Quando la luce diventa liquida / When the light becomes liquid
Quando la luce diventa liquida / When the light becomes liquid
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Scoperta la formazione spontanea di ordine topologico in un sistema fotonico. In pratica, le interazioni sono in grado di ‘sintonizzare’ spontaneamente i fotoni fra loro, neutralizzando la dissipazione energetica. Lo studio contribuisce all’espansione del moderno campo di ricerca in fluidi quantistici di luce
Uno studio condotto recentemente dall’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche (Nanotec-Cnr) di Lecce rivela che i fotoni, ovvero particelle di luce, si possono ‘sintonizzare’ spontaneamente fra loro, quando l’interazione è sufficientemente forte, formando ordine là dove non ce ne dovrebbe essere. Questo significa che uno dei risultati più importanti della fisica del secolo scorso, ovvero la scoperta di un ordine ‘topologico’ della materia, premiato dal Nobel 2016, viene esteso a sistemi fatti di luce e potrebbe diventare la base per future tecnologie. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Materials.
“La meccanica statistica pone condizioni precise affinché queste ‘transizioni di fase’ possano essere osservate in natura. Una transizione di fase avviene quando, al variare di un parametro (di solito la temperatura) cambiano improvvisamente le relazioni fra i costituenti elementari di un sistema”, spiega Daniele Sanvitto, coordinatore del gruppo di fotonica avanzata del Nanotec-Cnr di Lecce. “Per esempio, nel passaggio da una fase più ordinata (liquido) ad una più disordinata (gassoso), oppure nell’emergere di un ordine reticolare nei cristalli o nell’allineamento dei campi magnetici microscopici in un ferromagnete. Ciò è vero anche a livello quantistico: in un condensato di Bose-Einstein, ogni atomo diventa indistinguibile dagli altri al di sotto di una certa temperatura. Ma le transizioni di fase dipendono fortemente dalla dimensionalità del sistema e in sistemi bidimensionali, ovvero confinati in uno spazio a sole due dimensioni, le fasi ordinate sono instabili anche a temperature molto basse favorendo la formazione di strutture disordinate. In questi sistemi esiste però una fase particolare chiamata ‘ordine topologico’, in cui le irregolarità di segno opposto si neutralizzano a vicenda, simmetricamente, e rimangono localizzate in punti spaziali relativamente piccoli, annullando gli effetti a lunga distanza”.
Nel 2016, il Nobel per la fisica è stato assegnato a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz per i loro studi, risalenti agli anni ’80, sulle fasi topologiche della materia e le transizioni di fase topologiche in strati bidimensionali sottili, un campo di ricerca di crescente importanza per capire le proprietà quantistiche della materia. “Tuttavia molte domande rimangono irrisolte. La più importante riguarda cosa succede quando il sistema non è isolato, ma in costante interazione con l’esterno e possibilmente fuori equilibrio termico”, afferma Dario Ballarini, ricercatore Nanotec-Cnr e autore dello studio. “Uno dei risultati principali del lavoro è stato appunto l’estensione di questo schema a sistemi fatti di luce e materia, dove la componente fotonica ci permette di lavorare a temperature più alte e può essere utile per applicazioni tecnologiche, ma limita l’isolamento del sistema”.
In questo caso i ricercatori impiegano microcavità di semiconduttore dove la luce rimane confinata in sottili strati bidimensionali per un certo tempo prima di essere riemessa. “La differenza principale rispetto al caso di soli atomi è che i fotoni sono molto più leggeri e veloci e bisogna considerare anche la dinamica delle relazioni d’ordine. Per avere ordine topologico non è infatti sufficiente la coerenza spaziale fra due punti distanti, ma è necessaria anche quella temporale, cioè quella del punto con se stesso in tempi diversi. Per fare ciò bisogna intrappolare la luce sufficientemente a lungo da permettere alle interazioni di prevalere sul disordine e, per la prima volta, siamo riusciti a dimostrarlo. Si potrebbe dire che la luce si è fatta liquida”, conclude Ballarini.
ENGLISH
The spontaneous formation of topological order in a photonic system discovered. In practice, interactions are able to spontaneously "tune" photons together, neutralizing energy dissipation. The study contributes to the expansion of the modern research field into quantum fluids of light
A study recently conducted by the Institute of Nanotechnology of the National Research Council (Nanotec-Cnr) of Lecce reveals that photons, or particles of light, can 'tune' spontaneously with each other, when the interaction is sufficiently strong, forming order where there should not be. This means that one of the most important results of the physics of the last century, namely the discovery of a 'topological' order of matter, awarded by the Nobel Prize 2016, is extended to systems made of light and could become the basis for future technologies. The results are published in the journal Nature Materials.
"Statistical mechanics sets precise conditions for these 'phase transitions' to be observed in nature. A phase transition occurs when, when a parameter (usually the temperature) changes, the relationships between the elementary constituents of a system suddenly change ", explains Daniele Sanvitto, coordinator of the advanced photonics group of the Nanotec-Cnr of Lecce. "For example, in the transition from a more orderly (liquid) phase to a more disordered (gaseous) phase, or in the emergence of a lattice order in the crystals or in the alignment of the microscopic magnetic fields in a ferromagnet. This is also true at the quantum level: in a Bose-Einstein condensate, each atom becomes indistinguishable from others below a certain temperature. But phase transitions strongly depend on the dimensionality of the system and in two-dimensional systems, or confined in a space of only two dimensions, the ordered phases are unstable even at very low temperatures, favoring the formation of disordered structures. In these systems, however, there is a particular phase called 'topological order', in which the irregularities of opposite sign neutralize each other symmetrically, and remain localized in relatively small spatial points, canceling the long-distance effects ".
In 2016, the Nobel Prize in Physics was awarded to David Thouless, Duncan Haldane and Michael Kosterlitz for their studies, dating back to the '80s, on topological phases of matter and topological phase transitions in thin two-dimensional layers, a field of research of growing importance to understand the quantum properties of matter. "However, many questions remain unresolved. The most important is what happens when the system is not isolated, but in constant interaction with the outside and possibly outside thermal equilibrium ", says Dario Ballarini, Nanotec-Cnr researcher and author of the study. "One of the main results of the work was the extension of this scheme to systems made of light and matter, where the photonic component allows us to work at higher temperatures and can be useful for technological applications, but limits the isolation of the system".
In this case the researchers employ semiconductor microcavities where the light remains confined in thin two-dimensional layers for some time before being re-emitted. "The main difference compared to the case of only atoms is that the photons are much lighter and faster and we must also consider the dynamics of order relations. In order to have topological order, spatial coherence between two distant points is in fact not sufficient, but temporal coherence is also necessary, ie that of the point with itself at different times. To do this you have to trap light long enough to allow interactions to prevail over the disorder and, for the first time, we managed to prove it. It could be said that the light became liquid ", concludes Ballarini.
Da:
https://www.galileonet.it/2018/03/quando-luce-diventa-liquida/?utm_campaign=Newsatme&utm_content=Quando%2Bla%2Bluce%2Bdiventa%2Bliquida&utm_medium=news%40me&utm_source=mail%2Balert
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