Fisica

Qualsiasi studente di fisica sa fin dalle prime lezioni di ottica che la luce si muove in linea retta, senza essere influenzata da altri raggi luminosi: i raggi di due torce elettriche non si rimbalzano l'uno sull'altro. Tuttavia, Martin Wimmer dell’Università Friedrich Schiller di Jena, in Germania, e colleghi hanno utilizzato una tecnica basata su una cosiddetta dimensione sintetica per creare impulsi di luce che interagiscono e si comportano collettivamente come un superfluido [1]. In tal modo, hanno dimostrato che si tratta di una piattaforma sintonizzabile per esplorare l’interazione tra interazioni a molti corpi, topologia e dissipazione, caratteristiche centrali in molti campi della fisica.

Per comprendere la dimensione sintetica, che è cruciale per questi esperimenti, si noti che una dimensione usuale dello spazio è definita attraverso un insieme di posizioni combinate con una nozione di “località”: le particelle possono interagire e spostarsi solo in posizioni vicine. Le dimensioni sintetiche replicano questa località utilizzando gradi di libertà non spaziali, che possono offrire una maggiore flessibilità per l'ingegneria e la misurazione, rispetto alle dimensioni spaziali. I ricercatori hanno già sfruttato questi vantaggi implementando dimensioni sintetiche su una serie di piattaforme, che hanno utilizzato per studiare fisica entusiasmante, compreso l’accoppiamento spin-orbita e una moltitudine di fenomeni topologici [2, 3].

Per realizzare una dimensione sintetica per la luce, Wimmer e colleghi utilizzano un reticolo ottico: una configurazione sperimentale in cui i tempi di arrivo degli impulsi luminosi fungono da analogo della posizione (Fig. 1). Nel loro esperimento, il tempo è diviso in intervalli T, e ciascun intervallo rappresenta un passo temporale discreto, t=1,2,… . Posizioni discrete corrispondenti ai siti su un reticolo (x=…,−2,−1,0,−1,2,…) sono mappate su questa sequenza temporale come sottointervalli separati l'uno dall'altro da Δt. Un impulso che arriva a T rappresenta la posizione del reticolo x=0, ad esempio, mentre un impulso a T−Δt rappresenta x=−1. Lo spostamento da una posizione del reticolo a un'altra (ad esempio, da −1 a −2) corrisponde a un cambiamento nel tempo di arrivo dell'impulso luminoso rispetto a T (in questo caso, da T−Δt a T−2Δt). Questo processo imita il movimento nello spazio reale: poiché una particella può muoversi nello spazio solo passando attraverso punti vicini, il suo analogo nella dimensione sintetica può spostarsi solo verso i siti reticolari vicini.

Per implementare tale movimento nella dimensione sintetica, i ricercatori uniscono due anelli di cavo in fibra ottica di lunghezze leggermente diverse tramite un divisore di raggio. La luce si propaga attorno al circuito breve nel tempo T−Δt e attorno al circuito lungo in T+Δt. Pertanto, un impulso luminoso nella posizione sintetica x e nel passo temporale sintetico t verrà spostato su x−1 o x+1 nel passo temporale t+1 se passa rispettivamente attraverso il ciclo breve o quello lungo. Dopo che un impulso ha completato un ciclo, il divisore del raggio lo divide in due parti uguali che continuano attraverso entrambi i cicli.

Sebbene questo movimento sintetico non sia di per sé molto interessante, il sistema fisico specifico in cui si realizza la dimensione sintetica consente potenti capacità. In questo caso, la risposta dielettrica non lineare della fibra utilizzata nell’esperimento produce uno sfasamento dipendente dalla potenza, il che significa che più impulsi luminosi interagiscono quando si sovrappongono all’interno di un circuito. Queste interazioni modificano il comportamento del sistema da quello di un gas ideale a uno con proprietà simili a quelle di un fluido. I reticoli ottici che mostrano tali interazioni luce-luce sono stati precedentemente utilizzati per studiare fenomeni come i solitoni [4, 5] e gli effetti topologici non hermitiani [6–8], ma le proprietà dei fluidi derivanti dalle interazioni e dal movimento, in particolare, superfluido- come il flusso, non sono stati osservati fino ad ora.

Wimmer e colleghi misurano la velocità del “suono” in questo fluido di luce, dove il suono si riferisce alle onde che si propagano nella dimensione sintetica. La loro tecnica è simile a quella di far cadere una pietra in uno stagno: respingendo parte dell'acqua dello stagno, la pietra eccita delle increspature che si diffondono alla velocità delle onde dell'acqua. In questo esperimento, lo “stagno” è un fluido approssimativamente omogeneo che si estende su una decina di siti sintetici; la “pietra” è una forza repulsiva che i ricercatori generano attorno a un paio di siti al centro del fluido. Questa forza repulsiva produce increspature di luce che si propagano verso l'esterno nella dimensione sintetica alla velocità del suono del superfluido leggero. Le misurazioni di come si propagano le increspature concordano qualitativamente (con alcune deviazioni probabilmente dovute a imperfezioni sperimentali) con la teoria idrodinamica. Nello specifico, la luce si comporta come un superfluido, che attraversa gli ostacoli senza dissiparsi.