I ricercatori sono ancora alle prese con le insolite proprietà di strani materiali noti come cristalli temporali; strutture che vibrano per l’eternità. Ora un nuovo tipo di cristallo temporale potrebbe aiutarci ad approfondire la nostra comprensione di questo sconcertante stato della materia.
Proprio come i cristalli normali sono formati da atomi e molecole che si ripetono su un volume di spazio, i cristalli temporali sono raccolte di particelle che si muovono in schemi per un periodo di tempo in modi che inizialmente sembrano sfidare la scienza.
Teorizzati nel 2012, prima di essere osservati in laboratorio per la prima volta solo quattro anni dopo, i cristalli temporali hanno impegnato i ricercatori per sondare le basi più profonde della fisica delle particelle e scoprirne potenziali applicazioni.
In questo ultimo studio, è stato creato un nuovo tipo di cristallo temporale “fotonico”. Operando alle frequenze delle microonde, questo cristallo temporale è in grado di affinare e amplificare le onde elettromagnetiche, promettendo future applicazioni nei sistemi di comunicazione wireless, nello sviluppo di laser e nei circuiti elettronici.
“In un cristallo temporale fotonico, i fotoni sono disposti in uno schema che si ripete nel tempo“, afferma l’autore principale Xuchen Wang, un nano ingegnere del Karlsruhe Institute of Technology in Germania. “Ciò significa che i fotoni nel cristallo sono sincronizzati e coerenti, il che può portare a un’interferenza costruttiva e all’amplificazione della luce“.
Inoltre, il team di ricerca ha scoperto che le onde elettromagnetiche che viaggiano lungo le superfici potrebbero essere amplificate così come le onde provenienti dall’ambiente circostante.
Al centro della ricerca c’è un approccio 2D basato su fogli ultrasottili di materiali artificiali noti come metasuperfici. In precedenza, la ricerca sui cristalli temporali fotonici è avvenuta attraverso materiali 3D sfusi: realizzare e studiare questi materiali è estremamente difficile per gli scienziati, ma il passaggio al 2D significa un percorso più rapido e più semplice per la sperimentazione e per scoprire come questi cristalli potrebbero essere utilizzati per applicazioni del mondo reale.
Sebbene siano più semplici delle strutture 3D complete, condividono alcune caratteristiche importanti con i cristalli temporali fotonici e possono imitarne il comportamento, incluso il modo in cui interagiscono con la luce. È la prima volta che è stato dimostrato che i cristalli temporali fotonici amplificano la luce in questo modo particolare e in misura così significativa.
“Abbiamo scoperto che la riduzione della dimensionalità da una struttura 3D a una struttura 2D ha reso l’implementazione notevolmente più semplice, il che ha reso possibile la realizzazione di cristalli temporali fotonici nella realtà“, afferma Wang.
Sebbene le applicazioni del mondo reale siano ancora lontane, l’approccio dell’utilizzo di metasuperfici 2D come metodo per produrre ed esaminare cristalli temporali fotonici renderà questo tipo di ricerca molto più semplice in futuro.
La scoperta dell’amplificazione delle onde elettromagnetiche lungo le superfici, ad esempio, potrebbe eventualmente contribuire a migliorare i circuiti integrati, dai telefoni alle automobili: la comunicazione all’interno di questi circuiti sarebbe potenzialmente più veloce e senza soluzione di continuità.
Poi ci sono le comunicazioni wireless, che possono soffrire di decadimento del segnale a distanza. Il rivestimento di superfici con cristalli temporali fotonici 2D promette di migliorare questa situazione.
“Quando un’onda di superficie si propaga, subisce perdite materiali e la potenza del segnale si riduce“, afferma il fisico Viktar Asadchy dell’Università di Aalto in Finlandia. “Con i cristalli temporali fotonici 2D integrati nel sistema, l’onda di superficie può essere amplificata e l’efficienza della comunicazione migliorata“.
La ricerca è stata pubblicata su Science Advances.
