I ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute hanno fabbricato un dispositivo simulatore quantistico non più largo di un capello umano che aiuterà i fisici a indagare sulla natura fondamentale della materia e della luce. I loro risultati potrebbero anche supportare lo sviluppo di laser più efficienti, che vengono utilizzati in campi della scienza.
Il dispositivo simulatore quantistico è costituito da isolante topologico fotonico
Il dispositivo simulatore quantistico è costituito da un tipo speciale di materiale chiamato isolante topologico fotonico. Un isolante topologico fotonico può guidare i fotoni, le particelle ondulatorie che compongono la luce, verso interfacce appositamente progettate all’interno del materiale, impedendo allo stesso tempo che queste particelle si disperdano attraverso il materiale stesso.
A causa di questa proprietà, gli isolanti topologici possono far sì che molti fotoni si comportino coerentemente come un unico fotone. I dispositivi possono anche essere utilizzati come “simulatori quantistici” topologici, laboratori in miniatura dove i ricercatori possono studiare i fenomeni quantistici, le leggi fisiche che governano la materia su scala molto piccola.
“L’isolante topologico fotonico che abbiamo creato è unico. Funziona a temperatura ambiente. Questo è un grande progresso. In precedenza, si poteva studiare questo regime solo utilizzando apparecchiature grandi e costose che raffreddano la materia nel vuoto. Molti laboratori di ricerca non hanno accesso a questo tipo di apparecchiature, quindi il nostro dispositivo potrebbe consentire a più persone di perseguire questo tipo di ricerca fisica di base in laboratorio”, ha affermato Wei Bao, assistente professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell’RPI e autore senior dello studio.
“È anche un promettente passo avanti nello sviluppo di laser che richiedono meno energia per funzionare, poiché la soglia del nostro dispositivo a temperatura ambiente, la quantità di energia necessaria per farlo funzionare, è sette volte inferiore rispetto ai dispositivi a bassa temperatura sviluppati in precedenza“, ha aggiunto Bao.
Lo studio
I ricercatori dell’RPI hanno creato il loro nuovo dispositivo simulatore quantistico con la stessa tecnologia utilizzata nell’industria dei semiconduttori per realizzare microchip, che prevede la stratificazione di diversi tipi di materiali, atomo per atomo, molecola per molecola, per creare la struttura desiderata con proprietà specifiche.
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Per creare il loro dispositivo simulatore quantistico, i ricercatori hanno coltivato piastre ultrasottili di perovskite alogenuro, un cristallo fatto di cesio, piombo e cloro, e hanno inciso un polimero sopra di esso con un motivo.
Gli esperti hanno inserito queste lastre di cristallo e il polimero tra fogli di vari materiali di ossido, formando infine un oggetto di circa 2 micron di spessore e 100 micron di lunghezza e larghezza (il capello umano medio è largo 100 micron).
Quando i ricercatori hanno puntato una luce laser sul dispositivo, è apparso uno schema triangolare luminoso sulle interfacce progettate nel materiale. Questo dispositivo simulatore quantistico, dettato dal design del dispositivo, è il risultato delle caratteristiche topologiche dei laser.
Conclusioni
“Essere in grado di studiare i fenomeni quantistici a temperatura ambiente è una prospettiva interessante. Il lavoro innovativo del professor Bao mostra come l’ingegneria dei materiali può aiutarci a rispondere ad alcune delle più grandi domande della scienza“, ha concluso Shekhar Garde, preside della RPI School of Engineering.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nature Nanotechnology.
