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Jun 09, 2023

Una vite di Archimede per la luce

Nature Communications volume 13, numero articolo: 2523 (2022) Cita questo articolo 3980 Accessi 12 Citazioni 3 Dettagli metriche alternative Una correzione dell'editore a questo articolo è stata pubblicata il 3 agosto

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Una vite di Archimede cattura l'acqua, alimentandola con energia sollevandola ad un livello più alto. Presentiamo il primo esempio di vite di Archimede ottica e dimostriamo come questo sistema sia in grado di catturare la luce, trascinarla e amplificarla. Sveliamo nuove soluzioni analitiche esatte alle equazioni di Maxwell per un'ampia famiglia di mezzi spazio-temporali chirali e mostriamo il loro potenziale per ottenere un'amplificazione chiralmente selettiva all'interno di fasi di parità temporale ampiamente sintonizzabili. Il nostro lavoro, che può essere facilmente implementato tramite esperimenti con sonda a pompa con fasci polarizzati circolarmente, apre una nuova direzione nella fisica dei mezzi variabili nel tempo unendo il campo nascente dei metamateriali spazio-temporali e quello dei sistemi chirali, e offre una nuova prospettiva. terreno di gioco per la fotonica topologica e non hermitiana, con potenziali applicazioni alla spettroscopia e al rilevamento chirale.

Gli aspetti fondamentali delle interazioni ondose nei sistemi dipendenti dal tempo hanno recentemente attirato un rinnovato interesse, grazie alla scoperta di materiali ultrasottili e altamente non lineari. Liberi da vincoli quali la reciprocità e il risparmio energetico, questi sistemi possono consentire comportamenti delle onde nuovi ed esotici. In questo lavoro apriamo una nuova direzione nel nascente campo dei metamateriali spazio-temporali fondendoli per la prima volta con il campo consolidato dei sistemi chirali, realizzando l'analogo elettromagnetico della famosa vite di Archimede per i fluidi.

L'importanza dei mezzi variabili nel tempo per la manipolazione delle onde è emersa dalle numerose proposte nel corso della ricerca decennale per ottenere la non reciprocità senza magneti sia nella fotonica1,2,3 che con le onde meccaniche4,5. La strutturazione temporale della materia apre diverse nuove strade per il controllo delle onde: modulazioni periodiche dei parametri materiali possono consentire la progettazione di fasi topologicamente non banali6 così come isolanti topologici Floquet7 e isolanti topologici con dimensioni di frequenza sintetiche8. Inoltre, un'adeguata personalizzazione della dipendenza temporale degli elementi reattivi può consentire un accumulo arbitrario di energia9, mentre l'introduzione di elementi non hermitiani modulati nel tempo può portare a modalità di governo e guadagno non reciproci10, nonché al mascheramento degli eventi e al perfetto assorbimento11, e accoppiamento di onde superficiali su interfacce spazialmente piatte12. Nei sistemi non periodici, la commutazione improvvisa è la chiave per nuove direzioni come l'inversione del tempo13, la rifrazione del tempo14 e il routing delle onde indotto dall'anisotropia15, nonché la conversione della frequenza16,17,18, il miglioramento della larghezza di banda19 e la localizzazione di Anderson20.

Inoltre, attingendo dalla combinazione di gradi di libertà spaziali e temporali, i metamateriali spazio-temporali, i cui parametri sono modulati in modo simile ad un'onda viaggiante21,22,23,24,25, hanno recentemente acquisito rinnovato slancio sia per ragioni fondamentali, come consentono l'imitazione e la generalizzazione del movimento fisico oltre i comuni vincoli relativistici, portando alla resistenza ottica26, alla localizzazione27 e a nuovi meccanismi di amplificazione28,29, e per applicazioni pratiche come la generazione armonica30, l'orientamento del fascio31 e la combinazione di potenza da più fonti32. Esperimenti di successo con la modulazione spaziotemporale includono lavori nell'acustica5,7,33 e nell'elasticità34, nelle microonde3,30, nell'infrarosso35 e persino nei sistemi diffusivi36, e recentemente hanno iniziato ad avvicinarsi al dominio ottico37 grazie all'introduzione di nuovi materiali altamente non lineari come come ITO38 e AZO39. Infine, sono stati recentemente sviluppati schemi di omogeneizzazione sia per i metamateriali temporali40,41 che spaziotemporali42.

Un campo di ricerca multidisciplinare più antico, ma ancora dilagante, è quello dei sistemi chirali (notiamo che il termine “chirale” è usato anche per indicare un mezzo con accoppiamento bianisotropico. Qui, però, ci riferiamo solo al suo carattere elicoidale, e proprietà di dicroismo circolare associate). A causa delle sue applicazioni tecnologiche cruciali, che vanno dalla tecnologia di visualizzazione alla spettroscopia e al biorilevamento, lo studio matematico dei sistemi elettromagnetici chirali risale a diversi decenni43, con osservazioni sperimentali dell'attività ottica che risalgono molto più indietro alle prime osservazioni di Biot e Pasteur nel 19° secolo44 . Le teorie dei mezzi chirali sono state applicate con successo allo studio dei cristalli liquidi colesterici45, nonché a una varietà di strutture presenti in natura46 e, dall'avvento dei metamateriali, alla rifrazione negativa47,48,49, alla banda larga e all'attività ottica potenziata50, alla trasmissione asimmetrica51, 52,53 e, più recentemente, la topologia54.