Gli scienziati hanno manipolato la luce per comportarsi come se fosse influenzata dalla gravità utilizzando cristalli fotonici deformabili, aprendo i progressi nell’ottica e nelle comunicazioni 6G.

Manipolare il comportamento della luce con la falsa gravità

Un gruppo collaborativo di ricercatori ha manipolato il comportamento della luce come se fosse sotto l’influenza della gravità. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Revisione fisica a il 28 settembre 2023, avrà implicazioni di vasta portata per il mondo dell’ottica e della scienza dei materiali e avrà un significato nello sviluppo delle comunicazioni 6G.

Immagine concettuale del cristallo fotonico deformabile e del cristallo fotonico. Credito: K. Kitamura et al.

La teoria di Einstein e la falsa gravità

La teoria della relatività di Albert Einstein ha da tempo dimostrato che il percorso delle onde elettromagnetiche, comprese le onde elettromagnetiche della luce e dei terahertz, può essere deviato dai campi gravitazionali. Gli scienziati hanno recentemente previsto teoricamente che replicare gli effetti della gravità – cioè la pseudo-gravità – è possibile deformando i cristalli nella regione di bassa energia (o frequenza).

“Abbiamo deciso di esplorare se la distorsione del reticolo nei cristalli fotonici potesse produrre effetti pseudo-gravitazionali”, ha affermato la professoressa Kyoko Kitamura della Tohoku University Graduate School of Engineering.

Configurazione sperimentale e risultati della simulazione del percorso del raggio in DPC. Credito: ©K. Kitamura et al.

Il ruolo dei cristalli fotonici

I cristalli fotonici hanno proprietà uniche che consentono agli scienziati di manipolare e controllare il comportamento della luce, agendo come “controllori del traffico” per la luce all’interno dei cristalli. Sono costruiti disponendo periodicamente due o più materiali diversi con diverse capacità di interagire e rallentare la luce in uno schema regolare e ripetuto. Inoltre, nei cristalli fotonici sono stati osservati effetti di pseudogravità derivanti da cambiamenti adiabatici.

Kitamura e i suoi colleghi hanno modificato i cristalli fotonici introducendo la distorsione del reticolo: una distorsione graduale degli spazi regolari tra gli elementi, interrompendo lo schema reticolare dei cristalli di protoni. Ciò ha manipolato la struttura della banda di luce dei cristalli, risultando in un percorso del raggio curvo al centro – proprio come un raggio di luce che passa attraverso un massiccio corpo celeste come Buco nero.

I risultati sperimentali, con la differenza di trasmissione tra le porte B e C mostrano chiaramente la flessione del fascio in DPC. Credito: K. Kitamura et al.

Dettagli dell’esperimento e sue implicazioni

Nello specifico, nel loro esperimento, gli scienziati hanno utilizzato un cristallo fotonico di silicio deformabile con una costante reticolare elementare di 200 micrometri e onde terahertz. Gli esperimenti hanno dimostrato con successo la deflessione di queste onde.

“Proprio come la gravità curva il percorso degli oggetti, noi abbiamo trovato un modo per piegare la luce all’interno di determinati materiali”, aggiunge Kitamura. “La guida del raggio nel piano nell’intervallo dei terahertz può essere sfruttata nelle comunicazioni 6G. A livello accademico, i risultati mostrano che i cristalli fotonici possono sfruttare gli effetti gravitazionali, aprendo nuove strade nel campo della fisica dei gravitoni”, ha affermato il professore associato Masayuki Fujita dell’Università di Osaka.

Riferimento: “Diffraction of Electromagnetic Waves by Pseudogravity in Deformable Photonic Crystals” di Kanji Nanjyo, Yuki Kawamoto, Hitoshi Kitagawa, Daniel Hedland, Masayuki Fujita e Kyoko Kitamura, 28 settembre 2023, Revisione fisica a.
doi: 10.1103/PhysRevA.108.033522