Lo stato vetroso della luce osservato per la prima volta
Può la luce propagarsi nello spazio comportandosi come un "vetro"? Gli scienziati dell'università La Sapienza, di Isc-Cnr e della Hebrew University of Jerusalem hanno osservato per la prima volta lo stato vetroso della luce, un fenomeno detto rottura della simmetria delle repliche previsto dal fisico Giorgio Parisi.
SCOPERTE – Pensate alle particelle che compongono la luce: i fotoni. Queste particelle elementari non interagiscono tra loro, motivo per cui non le vedremo mai aggregate allo stato solido o liquido, le cosiddette fasi collettive della materia. Capire le fasi collettive è sicuramente importante per poter comprendere i sistemi disordinati o complessi, che hanno molteplici modalità d’interazione e che possono verificarsi in diversi ambiti: dalle neuroscienze alle dinamiche sociali, passando dallo sviluppo di nanotecnologie e nuovi materiali.
C’è una teoria che riguarda proprio questi sistemi e la loro incredibile complessità ed è stata elaborata dal fisico italiano Giorgio Parisi. Si tratta del fenomeno noto come rottura di simmetria delle repliche, che viene definito anche fase vetrosa di un sistema disordinato, dato che il sistema presenta proprietà tipiche dello stato vetroso. Questo fenomeno si verifica quando più copie identiche di un sistema disordinato mostrano comportamenti completamente differenti tra loro e per la prima volta i ricercatori guidati da Eugenio Del Re e Claudio Conti delle università Sapienza Università di Roma, dell’Istituto Sistemi Complessi del Consiglio Nazionale delle Ricerche (ISC-CNR) e della Hebrew University of Jerusalem hanno osservato lo stato vetroso della luce.
I ricercatori hanno dunque osservato la rottura di simmetria delle repliche per onde luminose che si propagano non linearmente in un mezzo disordinato e i risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications. Davide Pierangeli, ricercatore del dipartimento di fisica della Sapienza e parte del gruppo di ricerca, ha spiegato: “L’emergere di uno stato vetroso della luce è reso possibile dalla forte interazione disordinata che regola le onde elettromagnetiche quando viaggiano in particolari materiali. Per mettere in luce il fenomeno abbiamo pertanto studiato la propagazione di fasci laser in un sottilissimo film di materiale ferroelettrico disordinato e fotorifrattivo, dove i diversi raggi luminosi si influenzano fortemente e in modo complesso tra loro. Con questa abbiamo confermato come realizzazioni analoghe del sistema possano avere proprietà completamente diverse, pur nelle stesse condizioni sperimentali”.
La scoperta rappresenta un’importante verifica per i sistemi disordinati e dimostra l’universalità del fenomeno di simmetria delle repliche per le onde classiche, sottolinea il direttore dell’ISC-CNR Claudio Conti. Già nel 2015 il gruppo guidato da Conti aveva ottenuto una prima osservazione sperimentale utile a indagare la complessità di un sistema, basandosi sulle teorie sviluppate negli anni Ottanta da Parisi, che introdusse il concetto di overlap per descrivere il grado di complessità di un sistema fisico.
Nel precedente esperimento – i cui risultati sono stati pubblicati su Nature Communications nel 2015 – Conti e colleghi utilizzarono laser identici, realizzati con materiali organici e nano-strutturati, che emettevano luce con proprietà statistiche molto diverse anche lavorando nelle stesse condizioni. Questi laser dunque si comportavano in modo diverso ogni volta che venivano accesi e oltre a rappresentare una prima verifica della teoria, ha permesso anche di realizzare una nuova classe di laser utilizzati per la microscopia ad alta risoluzione sia in campo diagnostico, per diagnosi di cancro in materiali biologici, sia in campo ambientale, con nuovi rivelatori di inquinamento.
L’osservazione di uno stato vetroso per la luce ora apre a nuove e del tutto inaspettate prospettive per lo studio sperimentale di tutta una serie di fenomeni complessi che raramente potremmo osservare in un laboratorio e in condizioni controllate. Sistemi biologici, neuroscienze, dinamiche sociali, nanotecnologie e sviluppo di nuovi materiali sono solo alcuni esempi dei sistemi complessi che questo risultato ci permette di poter approcciare in modo nuovo, con lo sviluppo di nuove tecnologie per comprendere le loro dinamiche di interazione in futuro.
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