La dimostrazione sperimentale della dissipazione topologica in risonatori fotonici

Un’illustrazione artistica del concetto di dissipazione topologica in una rete di risonatori fotonici multiplexati nel tempo. Crediti: Nicolle R. Fuller, Savo Studio

Finora, i fisici hanno studiato principalmente le fasi topologiche in sistemi accoppiati in modo conservativo. Si tratta di sistemi con dinamica che non si dissipa e uno spazio delle fasi che non si restringe nel tempo. Sono in netto contrasto con i sistemi dissipativi, che sono sistemi termodinamicamente aperti (cioè che operano al di fuori dell’equilibrio termodinamico) caratterizzati da dinamiche che possono dissiparsi nel tempo.

I ricercatori del California Institute of Technology, della Stanford University e di altri istituti in tutto il mondo hanno recentemente introdotto e dimostrato sperimentalmente fasi topologiche in un sistema accoppiato dissipativamente. Il loro articolo, pubblicato in Fisica della naturapotrebbe in ultima analisi influenzare lo sviluppo di nuove tecnologie meno soggette a difetti di fabbricazione.

“Le nostre fasi topologiche accoppiate dissipative manifestano proprietà topologiche non banali nelle proprietà di dissipazione di un sistema: un concetto fondamentalmente nuovo che chiamiamo dissipazione topologica”, ha detto a Phys.org Alireza Marandi, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio. “La dissipazione topologica presenta una nuova direzione di studio per la fisica topologica e ha il potenziale per ispirare nuovi dispositivi per l’elettronica, la fononica e la fotonica a stato solido che sono immuni al rumore ambientale e resistenti alle imperfezioni di fabbricazione”.

Oltre a dimostrare le fasi topologiche in un sistema dissipativo, Marandi ei suoi colleghi hanno realizzato una piattaforma sperimentale che potrebbe migliorare lo studio della fisica topologica. Più specificamente, hanno utilizzato reti di risonatori multiplexate nel tempo per creare una piattaforma flessibile su larga scala per studiare la fotonica topologica.

“Nel nostro articolo, mostriamo alcune delle capacità della piattaforma, ad esempio nella stessa configurazione senza alcuna modifica hardware, possiamo cambiare le condizioni al contorno e passare da un reticolo topologico a un reticolo banale nel mezzo dell’esperimento e studiare esotici dinamica”, ha spiegato Marandi. “La nostra piattaforma è prontamente scalabile a dimensioni ancora più sintetiche e può implementare complessi accoppiamenti a lungo raggio, fornendo un modello semplice per studiare la fisica in reticoli densamente connessi e in quattro o più dimensioni”.

La piattaforma progettata da Marandi e dai suoi colleghi è costituita da una rete di risonatori fotonici, collegati da connessioni “dissipative”. Ciò significa essenzialmente che ciascuno dei percorsi che collegano i risuonatori può perdere alcuni fotoni e farli uscire dalla rete, a seconda di come la luce nella connessione interferisce con la luce nei risuonatori (ad esempio, in modo costruttivo o distruttivo). In termini più tecnici, la dissipazione della rete creata dai ricercatori dipende dalla sua supermodalità e da come questa supermodalità viene eccitata.

La dimostrazione sperimentale della dissipazione topologica in risonatori fotonici

Christian Lefmans (a sinistra) e Alireza Marandi (a destra), in piedi accanto al setup sperimentale. Crediti: A. Marandi.

“Abbiamo analiticamente dimostrato che in una rete accoppiata in modo puramente dissipativo, quando la rete rappresenta un reticolo, nel nostro caso un reticolo topologico, i tassi di dissipazione dei modi sarebbero equivalenti alle bande di energia del reticolo e potremmo osservare comportamenti topologici in quei tassi di dissipazione”, ha detto Marandi. “Ad esempio, in un caso specifico, potremmo osservare che il fattore di qualità del supermode della rete sarebbe topologicamente protetto contro i disturbi della rete”.

La piattaforma creata da Marandi e dai suoi colleghi è stata fabbricata utilizzando componenti basati su fibra ottica standard ed è stata azionata utilizzando un laser a impulsi brevi. Per programmare la macchina ottica e adattarla a un reticolo specifico, i ricercatori hanno utilizzato un sistema FPGA, un circuito hardware utilizzato per eseguire operazioni logiche.

I risultati raggiunti da questo team di ricercatori potrebbero gettare le basi per ulteriori studi teorici ed esperimenti incentrati sulle fasi topologiche nei sistemi dissipativi. Inoltre, la fase topologica accoppiata dissipativamente dimostrata dai ricercatori potrebbe essere rilevante anche per altre aree della fisica, tra cui la fisica della materia condensata, la fotonica e lo studio degli atomi ultrafreddi.

“Le fasi topologiche accoppiate in modo dissipativo presentano stati topologici robusti con tassi di dissipazione isolati”, ha affermato Marandi. “Questa proprietà fornisce anche un nuovo modo per progettare la dissipazione di un sistema e potrebbe essere utile per progettare dispositivi come memorie quantistiche, sensori fotonici e amplificatori topologici”.

In futuro, il recente lavoro di Marandi e dei suoi colleghi potrebbe essere di interesse anche per i team che si concentrano su un’area di ricerca relativamente nuova, ovvero la fisica topologica non hermitiana. Infatti, le proprietà dissipative delle fasi topologiche che hanno svelato potrebbero essere combinate con il guadagno e la perdita osservati nei sistemi non hermitiani per realizzare nuovi effetti topologici. Questi effetti potrebbero a loro volta consentire lo sviluppo di laser nuovi, robusti e molto potenti.

“Ora abbiamo in programma di studiare la fisica fondamentale che è resa possibile dalla flessibilità e dalla scalabilità della nostra macchina”, ha affermato Marandi. “In quella direzione, stiamo studiando alcune dinamiche topologiche esotiche e non hermitiane che sono state al di fuori della portata delle precedenti piattaforme sperimentali. L’altra direzione di ricerca che perseguiamo è relativa alle applicazioni, poiché riteniamo che la nozione di dissipazione topologica possa essere una risorsa aggiuntiva per i sistemi fotonici. Nello specifico, stiamo attualmente sfruttando tali fasi topologiche per creare laser mode-locked e sensori fotonici”.


Fotonica topologica in reticoli frattali


Maggiori informazioni:
Christian Leefmans et al, Dissipazione topologica in una rete di risonatori fotonici multiplexati nel tempo, Fisica della natura (2022). DOI: 10.1038/s41567-021-01492-w

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Citazione: La dimostrazione sperimentale della dissipazione topologica nei risonatori fotonici (2022, 21 marzo) recuperata il 21 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-experimental-topological-dissipation-photonic-resonators.html

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