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Mar 20, 2023

La realizzazione di un cristallo a tempo continuo basato su un metamateriale fotonico

May 8, 2023 feature This

Funzionalità dell'8 maggio 2023

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Un cristallo temporale, come originariamente proposto nel 2012, è un nuovo stato della materia in cui le particelle sono in continuo movimento oscillatorio. I cristalli del tempo rompono la simmetria della traslazione del tempo. I cristalli del tempo discreto lo fanno oscillando sotto l'influenza di una forza parametrica esterna periodica, e questo tipo di cristallo del tempo è stato dimostrato in ioni, atomi e sistemi di spin intrappolati.

I cristalli a tempo continuo sono più interessanti e probabilmente più importanti, poiché mostrano una simmetria di traslazione temporale continua ma possono entrare spontaneamente in un regime di movimento periodico, indotto da una perturbazione incredibilmente piccola. Si è ormai capito che questo stato è possibile solo in un sistema aperto, e recentemente è stato osservato uno stato quantistico-temporale-cristallino in un sistema quantistico di atomi ultrafreddi all'interno di una cavità ottica illuminata dalla luce.

In un articolo pubblicato su Nature Physics, i ricercatori dell’Università di Southampton nel Regno Unito hanno dimostrato che una nanostruttura metamateriale classica può essere portata a uno stato che presenta le stesse caratteristiche chiave di un cristallo a tempo continuo.

"Stiamo studiando le interazioni della luce-materia con metamateriali nano-opto-meccanici per diversi anni", ha detto a Phys.org Nikolay I. Zheludev, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio. "Recentemente ci siamo resi conto che questa era una piattaforma perfetta per dimostrare lo stato cristallino del tempo",

Nell’ambito del loro recente studio, Zheludev e i suoi colleghi hanno deciso di realizzare uno stato cristallino a tempo continuo utilizzando un metamateriale fotonico. Il sistema utilizzato è una matrice 2D di metamolecole plasmoniche (ovvero strutture artificiali che facilitano l'interazione con la luce su scala nanometrica) supportate da nanofili flessibili.

I ricercatori hanno dimostrato che illuminare in modo continuo e coerente questo metamateriale fotonico con una luce che risuona con la modalità plasmonica delle metamolecole contenute al suo interno ha causato una transizione di fase spontanea verso uno stato che possiede le proprietà chiave di un cristallo a tempo continuo. Questo stato è caratterizzato da oscillazioni continue risultanti dalle interazioni a molti corpi tra le metamolecole.

"Abbiamo scoperto che un metamateriale fotonico, una serie di nanofili decorati con nanoparticelle plasmoniche, può essere portato allo stato di oscillazioni coerenti dei nanofili mediante l'interazione indotta dalla luce tra le particelle", ha spiegato Zheludev. "Queste oscillazioni emergono spontaneamente al raggiungimento di una soglia di illuminazione luminosa. Tale comportamento costituisce un cristallo temporale continuo, un nuovo stato della materia."

Il recente studio condotto da questo team di ricercatori potrebbe aprire nuove strade per la ricerca sui cristalli temporali e sugli stati dinamici classici a molti corpi nel regime fortemente correlato. In futuro, il sistema unico realizzato da Zheludev e dai suoi colleghi potrebbe anche aprire la strada allo sviluppo di nuovi dispositivi ottici e fotonici.

"Abbiamo dimostrato un cristallo a tempo continuo, un nuovo stato della materia su una semplice piattaforma classica, che rappresenta un passo sostanziale verso le applicazioni dello stato crostale a tempo continuo nei dispositivi fotonici", ha aggiunto Zheludev. "L'osservazione riportata è solo l'inizio e continueremo a esplorare le proprietà fondamentali dei cristalli a tempo continuo metamateriali nano-opto-meccanici e le loro applicazioni."