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Dec 08, 2023

I fotoni si scontrano tra loro: su uno specchio del tempo

Di solito, le onde elettromagnetiche si attraversano invisibili e indisturbate. Fare in modo che i raggi luminosi si notino a vicenda non è un compito facile. In genere, gli scienziati devono convincerli a interagire tramite

Di solito, le onde elettromagnetiche si attraversano invisibili e indisturbate. Fare in modo che i raggi luminosi si notino a vicenda non è un compito facile. In genere, gli scienziati devono convincerli a interagire tramite materiali complessi. Ora, i fisici dell’Advanced Science Research Center della City University of New York (CUNY) hanno progettato un modo fondamentalmente nuovo per far collidere tra loro i fasci di luce, riflettendoli entrambi sullo stesso specchio nel tempo. Controllando la luce con la luce, il team ha anche mostrato le capacità di modellazione del fascio della loro tecnica, con possibili applicazioni nelle telecomunicazioni e nelle misurazioni scientifiche.

Il team ha dimostrato la sua tecnologia dello specchio temporale già a marzo, ma ora ha dimostrato che due impulsi luminosi opposti che colpiscono lo stesso specchio temporale possono essere fatti entrare in collisione tra loro, proprio come oggetti massicci. Inoltre, i ricercatori possono esercitare il controllo sul tipo di collisione che si verifica. Gli impulsi luminosi, riferiscono i ricercatori, possono scontrarsi elasticamente, come due palle da biliardo che rimbalzano l'una sull'altra; in modo anelastico, come due pezzi di Silly Putty che si colpiscono e si attaccano insieme; o in modo costruttivo, come due palline con meccanismi a molla scattate dalla collisione, che si separano più velocemente di quanto si uniscano.

“Puoi decidere se l’energia totale nel sistema diminuisce, aumenta o rimane la stessa.”—Andrea Alù, CUNY

"Le chiamiamo collisioni di fotoni perché ci ricordano come due oggetti massicci interagiscono quando si scontrano", afferma Andrea Alù, illustre professore di fisica alla CUNY e autore senior dello studio. "La cosa notevole di questa interfaccia temporale è che se scegli l'istante in cui la guidi, puoi decidere se l'energia totale nel sistema diminuisce, aumenta o rimane la stessa."

Per creare il loro specchio del tempo, il team ha utilizzato un metamateriale appositamente progettato. Uno specchio regolare è formato da un brusco cambiamento nell'indice di rifrazione tra due materiali, provocando la riflessione della luce sull'interfaccia. Allo stesso modo, uno specchio temporale è formato da un brusco cambiamento nell’indice di rifrazione, ma nel tempo. La luce riflessa nel tempo viaggia ancora nella stessa direzione, ma all’indietro, come una registrazione audio riprodotta al contrario.

Questo chip metamateriale è in grado di creare uno specchio temporale per le onde luminose che lo attraversano, consentendo a due onde luminose di scontrarsi l'una con l'altra. Shawn Rhea/Centro di ricerca scientifica avanzata CUNY

I ricercatori hanno ottenuto questo specchio temporale utilizzando una linea di trasmissione serpeggiante lunga 6 metri stampata su un chip. Collegarono molti interruttori e condensatori collegati tra la linea di trasmissione e la terra ogni 20 centimetri, più vicini tra loro di una lunghezza d'onda della luce. Accendendo o spegnendo questi condensatori, potrebbero modificare l'indice di rifrazione nel materiale in appena 3 nanosecondi. "All'improvviso, l'onda sembra come se si trovasse in un mezzo completamente diverso", dice Alù.

Inviavano impulsi luminosi l'uno verso l'altro da entrambe le estremità della linea di trasmissione e cambiavano l'indice di rifrazione in diversi momenti nel tempo. Modificando la sovrapposizione dei due fasci di luce durante lo scambio, potrebbero cambiare la natura della collisione: elastica, anelastica o costruttiva.

Inoltre, scegliendo la forma di uno dei fasci di luce e il momento dell'interruttore, i ricercatori hanno potuto effettivamente rimodellare l'altro fascio per adattarlo alle loro esigenze. Hanno dimostrato di cancellare una sezione di un segnale luminoso e di accorciare un impulso. Poiché l'interfaccia temporale funziona per una vasta gamma di frequenze, questo metodo può essere utilizzato per modellare la luce a banda larga; è molto utile per le comunicazioni wireless. Anche la capacità di modellare la luce in lampi sempre più brevi è molto promettente per le applicazioni di rilevamento e misurazione.

Il team sta attualmente lavorando per estendere questo metodo ai regimi di luce visibile e infrarossa. Si aspettano che l’effetto dell’interazione delle onde persista in una vasta gamma di contesti. “In linea di principio, si potrebbe uccidere uno tsunami [elettromagnetico] usando questa tecnica. C'è uno tsunami che viene verso di te e poi gli mandi contro un'onda", dice Alù. “Certo, devi dargli la giusta forma. E devi far sì che questa transizione avvenga, ma puoi sopprimere completamente le onde che vengono verso di te.