Introduzione

Una semplice goccia di olio d’oliva in un sistema di fotoni che rimbalza tra due specchi, ha rivelato aspetti universali delle transizioni di fase in fisica. 

I ricercatori di AMOLF hanno utilizzato una cavità ottica riempita d’olio in cui la luce subisce transizioni di fase simili a quelle nell’acqua bollente. Il sistema che hanno studiato ha memoria perché l’olio fa interagire i fotoni con se stessi. Variando la distanza tra i due specchi e misurando la trasmissione della luce attraverso la cavità, hanno scoperto una legge universale che descrive le transizioni di fase nei sistemi con memoria. 

Questi risultati sono stati pubblicati il ​​15 aprile in Physical Review Letters.

L’esperimento

Gli esperimenti sono stati condotti con una cavità ottica
formata da due specchi. La luce inviata attraverso la
cavità rimbalza tra gli specchi prima di uscire dove viene
misurata la trasmissione. I ricercatori hanno riempito
questa cavità di olio d’oliva e hanno cambiato la posizione
relativa degli specchi a velocità diverse.
Immagine di: Henk-Jan Boluijt (AMOLF)

Il gruppo di ricerca sui fotoni interagenti presso AMOLF studia la non linearità e il rumore nei sistemi fotonici. Uno di questi sistemi è una cavità, formata da due specchi uno di fronte all’altro a distanza ravvicinata. All’interno della cavità, la luce rimbalza avanti e indietro mentre viene riflessa dagli specchi. Mettere qualcosa all’interno di una tale cavità ottica, cambia le proprietà del sistema. 

Abbiamo creato un sistema con memoria inserendo una goccia di olio d’oliva all’interno della cavità“, afferma il capogruppo Said Rodriguez. “L’olio media interazioni efficaci fotone-fotone, che possiamo vedere misurando la trasmissione della luce laser attraverso questa cavità“.

Velocità di scansione

Rodriguez e i suoi dottorandi Zou Geng e Kevin Peters hanno analizzato la trasmissione aumentando e diminuendo la distanza tra i due specchi a velocità diverse. Hanno scoperto che la quantità di luce trasmessa attraverso la cavità dipende dalla direzione di movimento degli specchi.

La trasmissione della luce attraverso la cavità non è lineare. A una certa distanza tra gli specchi, la quantità di luce trasmessa dipende dal fatto che stiamo aprendo la cavità o chiudendo”, spiega Rodriguez. “Questo comportamento si chiama isteresi. Si osserva anche in alcune transizioni di fase, come nell’acqua bollente o in materiali magnetici“.

Universale

Tuttavia, nella cavità con olio d’oliva, l’isteresi non è sempre presente, i ricercatori hanno osservato quando hanno aumentato la velocità con cui la cavità si apre e si chiude. Rodriguez: “Nelle scansioni più veloci, abbiamo visto svanire l’isteresi in funzione della velocità di scansione. Ciò accade a una velocità universale, indipendente da parametri come l’intensità della luce o l’intensità della non linearità. Le equazioni che descrivono come la luce si comporta nella nostra cavità piena d’olio sono simili a quelle che descrivono raccolte di atomi, superconduttori e persino fisica ad alta energia. Pertanto, il comportamento universale che abbiamo scoperto è probabile che venga osservato anche in tali sistemi“.

Cavità di accoppiamento

Mentre sarebbe interessante studiare il comportamento di ridimensionamento universale in altri sistemi con memoria, Rodriguez manterrà la sua attenzione sulle cavità piene d’olio. “Il nostro sistema,a temperatura ambiente, ha una forte non linearità ottica che offre opportunità per potenziali applicazioni“, afferma. 

Attualmente stiamo studiando cosa succede quando accoppiamo due o più cavità. Poiché ogni sistema ha memoria, una serie di cavità potrebbe alla fine essere utile come strumento di calcolo, o forse anche nelle applicazioni di rilevamento“.

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