Un team di ricercatori è riuscito con successo a forzare le onde elettromagnetiche (EM), che di solito si attraversano, a scontrarsi frontalmente manipolando il tempo, grazie alle proprietà uniche dei metamateriali.
Ispirandosi al concetto di utilizzo di onde su scala macro come gli tsunami o i terremoti per annullarsi a vicenda, la manipolazione delle interfacce temporali per far sì che questi fotoni entrino in collisione invece di attraversarsi potrebbe aprire una vasta gamma di applicazioni ingegneristiche, compresi progressi nella telecomunicazioni, informatica ottica e persino raccolta di energia.
È possibile utilizzare un’onda per annullare un’altra onda?
Gli ingegneri che studiano gli effetti devastanti delle catastrofi provocate dalle onde, come tsunami e terremoti, hanno spesso postulato l’idea di utilizzare una contro-onda per fermarle sul loro cammino. Sfortunatamente, varie leggi della fisica hanno dimostrato che l’idea è poco pratica, se non addirittura impossibile. Tuttavia, i ricercatori che studiano le interazioni delle onde su scala atomica e subatomica si chiedevano se l’idea potesse essere possibile nell’universo quantistico.
“Mentre un simile risultato (fermare uno tsunami) è impossibile nella fisica delle onde convenzionale, sapevamo che è possibile, in linea di principio, utilizzando un metamateriale temporale”, ha affermato Emanuele Galiffi, ricercatore post-dottorato dell’Advanced Science Research Center presso il CUNY Graduate Center (CUNY ASRC), e autore principale di questo ultimo studio. “Il nostro esperimento ci ha permesso di dimostrare questo concetto in azione per le onde elettromagnetiche”.
La manipolazione del tempo si è rivelata la chiave per causare le prime collisioni di fotoni
Per realizzare la storica collisione di fotoni, il team CUNY ASRC ha prima riconsiderato un lavoro pubblicato in precedenza su qualcosa chiamato riflessioni temporali.
Da un punto di vista puramente teorico, le riflessioni temporali sono esattamente ciò che sembrano. Invece del riflesso di un’onda luminosa, come guardarsi in uno specchio, o del riflesso di un’onda sonora, come sentire un’eco, la riflessione del tempo è radicata nell’idea che il tempo si muove come un’onda e, date le giuste condizioni, il tempo potrebbe essere riflesso all’indietro. Almeno su scala quantistica.
Sebbene l’idea sia stata discussa per oltre sessant’anni, non c’era un materiale noto che potesse cambiare il suo stato generale abbastanza rapidamente da avviare queste riflessioni temporali. Poi, all’inizio di quest’anno, lo stesso team CUNY ASRC dietro quest’ultima scoperta ha finalmente dimostrato l’esistenza di riflessioni temporali utilizzando un metamateriale che era stato sviluppato solo di recente.
“Utilizzando un sofisticato design metamateriale, siamo stati in grado di realizzare le condizioni per modificare le proprietà del materiale nel tempo sia in modo improvviso che con un ampio contrasto“, ha spiegato Andrea Alù, professore emerito di fisica presso il Graduate Center della City University of New York e direttore fondatore della CUNY ASRC Photonics Initiative al momento della scoperta. Il risultato è stato la prima prova osservabile che il tempo si era riflesso all’indietro.
Ora, il professor Alù e il suo team hanno dimostrato che la manipolazione del tempo in un metamateriale può effettivamente far collidere i fotoni.
“Il nostro lavoro si basa su una serie di esperimenti che mostrano come possiamo creare metamateriali con proprietà uniche che emergono da improvvise variazioni temporali delle loro proprietà elettromagnetiche”, ha affermato Alù. “Queste variazioni ci permettono di manipolare la propagazione delle onde in modi non visti in natura”.
Questo lavoro più recente, pubblicato sulla rivista Nature Physics, ha dimostrato che i bruschi cambiamenti temporali in metamateriali progettati su misura precedentemente dimostrati, ovvero le interfacce temporali o le riflessioni temporali, potrebbero effettivamente far collidere le onde elettromagnetiche. È qualcosa che si vede in oggetti su scala macro come la collisione di palline da biliardo, ma su scala subatomica è qualcosa di mai visto prima.
Degno di nota è anche il fatto che i ricercatori hanno affermato che, manipolando il tempo, sono stati in grado di controllare la natura della collisione per determinare se l’energia è stata persa o conservata. Ad esempio, due palline da biliardo che si scontrano conservano la maggior parte della loro energia, mentre due palline di gomma che si scontrano ne perdono gran parte.
“Siamo stati anche in grado di controllare se le onde scambiavano, guadagnavano o perdevano energia durante queste collisioni”, ha detto Alù.
La scoperta potrebbe portare a progressi tecnologici in numerose aree
Un’interessante applicazione proposta e effettivamente dimostrata dai ricercatori prevedeva l’utilizzo del loro metodo per modellare gli impulsi elettromagnetici facendoli collidere tra loro.
“Questa tecnica ci consente di utilizzare un segnale aggiuntivo come stampo per scolpire un impulso che siamo interessati a strutturare“, ha affermato Gengyu Xu, ricercatore post-dottorato presso il laboratorio di Alù e co-autore principale dell’articolo. Xu afferma che hanno già dimostrato questa capacità utilizzando le onde radio e che ora stanno lavorando per “realizzare questa capacità di scultura” a frequenze più elevate.
Nella loro conclusione, i ricercatori affermano che la capacità di far collidere le onde EM con l’obiettivo di controllare la propagazione delle onde potrebbe anche portare a scoperte rivoluzionarie in una serie di aree che si basano su tali processi. Questi includono progressi nelle comunicazioni wireless, nella raccolta di energia, nell’imaging e nell’informatica.
