Stati della materia: nuova svolta fotone-fonone

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Una nuova ricerca di un team del City College di New York ha scoperto un nuovo modo per combinare due diversi stati della materia. Per la prima volta i fotoni topologici, la luce, sono stati combinati con le vibrazioni del reticolo, note anche come fononi, per manipolare la loro propagazione in modo robusto e controllabile. 

Lo studio ha utilizzato la fotonica topologica, una direzione emergente nella fotonica che sfrutta le idee fondamentali del campo matematico della topologia sulle quantità conservate – invarianti topologici – che rimangono costanti quando si alterano parti di un oggetto geometrico sotto deformazioni continue. Uno degli esempi più semplici di tali invarianti è il numero di fori, che, ad esempio, rende ciambella e tazza equivalenti dal punto di vista topologico. 

Le proprietà topologiche conferiscono ai fotoni elicità, quando i fotoni ruotano mentre si propagano, portando a caratteristiche uniche e inaspettate, come la robustezza ai difetti e la propagazione unidirezionale lungo le interfacce tra materiali topologicamente distinti. Grazie alle interazioni con le vibrazioni nei cristalli, questi fotoni elicoidali possono quindi essere utilizzati per incanalare la luce infrarossa insieme alle vibrazioni

Le implicazioni di questo lavoro sono ampie, in particolare consentendo ai ricercatori di far progredire la spettroscopia Raman, che viene utilizzata per determinare i modi vibrazionali delle molecole. La ricerca è anche promettente per la spettroscopia vibrazionale, nota anche come spettroscopia a infrarossi, che misura l’interazione della radiazione infrarossa con la materia attraverso l’assorbimento, l’emissione o la riflessione. Questo può quindi essere utilizzato per studiare, identificare e caratterizzare le sostanze chimiche.

“Abbiamo accoppiato fotoni elicoidali con vibrazioni reticolari in nitruro di boro esagonale , creando una nuova materia ibrida denominata fononi-polaritoni“, ha affermato Alexander Khanikaev, autore principale e fisico affiliato alla Grove School of Engineering della CCNY. “Si tratta di metà luce e metà vibrazioni. Poiché la luce infrarossa e le vibrazioni del reticolo sono associate al calore, abbiamo creato nuovi canali per la propagazione della luce e del calore insieme. In genere, le vibrazioni del reticolo sono molto difficili da controllare e guidano attorno ai difetti e agli angoli acuti”.

La nuova metodologia può anche implementare il trasferimento di calore radiativo direzionale, una forma di trasferimento di energia durante la quale il calore viene dissipato attraverso onde elettromagnetiche. 

“Possiamo creare canali di forma arbitraria per questa forma di eccitazione ibrida di luce e materia da guidare all’interno di un materiale bidimensionale che abbiamo creato”, ha aggiunto il dott. Sriram Guddala, ricercatore post-dottorato nel gruppo del Prof. Khanikaev e primo autore del manoscritto. “Questo metodo ci consente anche di cambiare la direzione di propagazione delle vibrazioni lungo questi canali, in avanti o indietro, semplicemente commutando la manualità delle polarizzazioni del raggio laser incidente. È interessante notare che, mentre i fononi-polaritoni si propagano, le vibrazioni ruotano anche insieme al fascio elettrico. Questo è un modo completamente nuovo di guidare e ruotare le vibrazioni del reticolo, che le rende anche elicoidali.”

Intitolato “Funneling topologico fonone-polaritone nelle metasuperfici nel medio infrarosso”, lo studio appare sulla rivista Science

 

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