Comportamento emergente osservato nel sé

Sep 25, 2023

18 gennaio 2023

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di Sam Sholtis, Pennsylvania State University

Le particelle di luce - i fotoni - costrette a interagire tra loro attraverso un vetro appositamente strutturato dimostrano un comportamento evocativo dell '"effetto Hall quantistico frazionario", un fenomeno che ha ottenuto il Premio Nobel per la fisica nel 1998 quando dimostrato con gli elettroni. Un team di ricercatori della Penn State ha ora dimostrato che il movimento della luce proveniente da un laser estremamente potente viene “frazionato” mentre passa attraverso il vetro, una proprietà emergente che si aggiunge alla nostra comprensione fondamentale della fisica che emerge da ambienti complessi.

"Gli elettroni sono particelle cariche e la loro carica è una costante fondamentale della natura", ha affermato Mikael Rechtsman, professore associato di fisica alla Penn State e leader del gruppo di ricerca. "Nell'effetto Hall quantistico frazionario, è stato dimostrato che gli elettroni che interagiscono tra loro in determinate condizioni si comportano come particelle con una frazione di quella carica e possono essere potenzialmente utilizzati per calcoli quantistici più robusti. Ora abbiamo dimostrato un fenomeno che, pur essendo fondamentalmente distinto dalla versione elettronica, suggerisce che un diverso tipo di frazionamento può verificarsi con la luce che interagisce con se stessa."

A differenza degli elettroni, i fotoni normalmente non interagiscono tra loro perché non hanno carica. Tuttavia, se si dispone di un laser sufficientemente potente e lo si passa attraverso un materiale che risponde a tale potenza, i fotoni si comportano come se interagissero poiché il materiale media effettivamente l'interazione tra loro. In altre parole, i fotoni si influenzano a vicenda influenzando il materiale. I ricercatori progettano il materiale, un vetro specializzato con una serie di "guide d'onda" strutturate in modo complesso che lo attraversano come fibre ottiche, in modo tale che i fotoni si raggruppino insieme in oggetti chiamati "solitoni".

"Normalmente, la luce di un laser si diffonde - o si diffrange - dalla sua sorgente, ma i solitoni non si diffrangono", ha detto Rechtsman. "Si propagano in avanti attraverso il vetro a una velocità simile a quella della luce, mantenendo una larghezza fissa."

Le guide d'onda sono create con unità ripetitive in due dimensioni. Innanzitutto, ogni singola guida d'onda, che è simile a una fibra ottica, si muove attraverso il vetro secondo uno schema a zig e zag che si ripete periodicamente lungo la direzione della luce che viaggia. In secondo luogo, gruppi di queste fibre identici tra loro si ripetono attraverso il vetro su entrambi i lati del raggio laser.

In lavori precedenti con un laser relativamente a bassa potenza, i ricercatori hanno dimostrato che mentre i solitoni si propagavano attraverso il vetro potevano saltare attraverso lo schema delle guide d’onda in multipli di numeri interi. Potrebbero spostarsi a destra di due unità e avanzare di una unità, il che sarebbe uno scambio di due su uno, o "due positivi". Oppure, ad esempio, potevano saltare a sinistra di un'unità e avanzare di un'unità per cambiare "uno negativo", ma il cambiamento era sempre un numero intero.

"Ora, aumentando la potenza del laser, stiamo assistendo a cambiamenti frazionari", ha detto Rechtsman. "Quindi, il solitone potrebbe spostarsi di un'unità mentre si sposta in avanti di due: uno spostamento di uno su due, o la metà. Ciò che è interessante è che, anche se elettroni e fotoni sono particelle completamente diverse e le proprietà che stiamo misurando sono completamente diverse , in entrambi i casi, quando costringiamo le particelle a interagire in modo sempre più forte, vediamo la frazionalizzazione. Sfortunatamente, sapere questo non migliorerà automaticamente i cavi in ​​fibra ottica, ma vedere questa proprietà emergente alla luce, che ricorda la proprietà emergente vista negli elettroni, ci sta aiutando a comprendere meglio i nuovi fenomeni emergenti in ambienti fisici complessi."