Observation of biased random-flux-induced topological phase transition in gyromagnetic photonic crystals

Immaginate il mondo della fisica come una grande, frenetica città dove le particelle sono i cittadini. Per molto tempo, gli scienziati hanno pensato che se avessi lanciato abbastanza caos in questa città — come edifici che si muovono casualmente o cambiamenti nelle regole stradali — i cittadini si sarebbero semplicemente persi e avrebbero smesso di muoversi. Questo è chiamato "disordine", e di solito rende le cose disordinate e bloccate. Ma negli ultimi decenni, un'affascinante nuova idea chiamata "topologia" ha ribaltato tutto questo. Pensate alla topologia non come alla forma di un edificio, ma alla forma di un percorso. Una tazza da caffè e una ciambella sono topologicamente la stessa cosa perché entrambe hanno un buco; potete deformare l'una nell'altra senza strapparle. In fisica, questo significa che certi percorsi per le particelle sono così "annodati" che non possono essere facilmente interrotti, anche se la città intorno a loro è un po' disordinata.

Di solito, per creare questi percorsi speciali e indistruttibili, gli screnti devono creare modelli molto precisi e perfetti, come una danza perfettamente coreografata. Spesso devono anche rompere una regola chiamata "simmetria di inversione temporale", che è come assicurarsi che la danza vada solo in avanti e mai all'indietro. La grande domanda che gli scienziati si sono posto è: cosa succede se la pista da ballo stessa è disordinata? Si possono ancora ottenere questi percorsi speciali e indistruttibili se le regole della danza vengono capovolte casualmente? Mentre sappiamo che alcuni tipi di disordine possono effettivamente creare questi percorsi speciali, nessuno aveva mai visto cosa accade quando il disordine deriva specificamente dal capovolgere la direzione del "vento magnetico" che guida le particelle. È come chiedere se si può cambiare la direzione di un fiume semplicemente capovolgendo casualmente il vento che spinge l'acqua, senza costruire nuove dighe.

Questo è esattamente ciò che un team di ricercatori ha appena fatto. Hanno costruito una "città" speciale fatta di piccole aste metalliche e magneti, chiamata cristallo fotonico giromagnetico, per vedere se potevano controllare il flusso di luce microonde solo mescolando casualmente la direzione dei magneti. Hanno scoperto che potevano effettivamente costringere la luce a cambiare il suo comportamento. Quando mescolavano i magneti in modo uniforme, i percorsi speciali svanivano e la luce rimaneva bloccata nel mezzo. Ma quando inclinavano leggermente la miscela verso una direzione, i percorsi riapparivano, ma con un colpo di scena: la luce iniziava a fluire nella direzione opposta!

I ricercatori sono partiti da un modello teorico noto come modello di Haldane, che è come un progetto per una città dove il "vento magnetico" (chiamato flusso) spinge le particelle in un cerchio. In una città perfetta, tutto il vento soffia nella stessa direzione, creando una strada a senso unico per le particelle. Il team ha deciso di costruire una versione disordinata di questa città. Hanno usato due tipi di aste: un set magnetizzato per spingere il vento in senso orario, e un altro set magnetizzato per spingerlo in senso antiorario. Hanno mescolato queste aste insieme in diverse proporzioni.

Quando avevano per lo più aste in senso orario, la luce fluiva in un cerchio in una direzione. Quando avevano per lo più aste in senso antiorario, la luce fluiva nell'altra direzione. Ma la parte più eccitante è accaduta quando li hanno mescolati esattamente al 50/50. A questo perfetto equilibrio, il "vento" delle aste in senso orario ha annullato il "vento" delle aste in senso antiorario. Il risultato? La speciale strada a senso unico è svanita completamente. La luce non riusciva a trovare un percorso e rimaneva bloccata nel mezzo della città, proprio come un'auto senza strada. Questo ha dimostrato che il "disordine" (il mix casuale) aveva effettivamente distrutto lo stato topologico speciale.

Tuttavia, non appena aggiungevano anche solo un pizzico di un tipo di asta rispetto all'altro, la magia tornava. La luce trovava un percorso di nuovo, ma ora fluiva nella direzione opposta rispetto al primo caso. I ricercatori hanno misurato questo fenomeno usando le microonde e hanno scoperto che, a una frequenza di 17,66 GHz, la luce seguiva il bordo del loro campione e viaggiava in senso orario se la miscela era del 20% in un senso e dell'80% nell'altro. Ma se invertivano la miscela a 80% in un senso e 20% nell'altro, la luce seguiva il bordo e viaggiava in senso antiorario.

Hanno controllato anche cosa accadeva proprio nel mezzo, al punto 50/50. Le loro misurazioni hanno mostato che la "trasmissione nel bulk" — ovvero quanto bene la luce potesse muoversi attraverso il centro del campione — scendeva quasi a zero, il che significa che il gap nei livelli di energia si era chiuso. Questo ha confermato che il sistema aveva perso la sua speciale protezione topologica. Il team ha utilizzato una tecnica di "misure di campo vicino" per osservare effettivamente il movimento della luce, punto per punto, e ha visto il ribaltamento avvenire proprio davanti ai loro occhi.

Questo esperimento è un grande passo avanti perché dimostra che non è necessario un cristallo perfettamente ordinato per creare questi stati speciali. Si può effettivamente usare il disordine stesso come uno strumento per passare tra diversi tipi di fasi topologiche. È come scoprire che si può cambiare la direzione di un fiume non costruendo una diga, ma semplicemente cambiando il rapporto tra il vento che soffia da nord rispetto a quello che soffia da sud. I ricercatori hanno dimostato che, semplicemente regolando la concentrazione dei loro magneti, potevano guidare il sistema attraverso una transizione di fase, chiudendo il gap e riaprendolo con la "chiralità" (destrorità) opposta.

Lo studio suggerisce che questo "flusso casuale distorto" è un meccanismo unico per controllare i sistemi bosonici (sistemi composti da particelle come la luce). Sebbene il team abbia prima simulato il comportamento al computer, lo ha confermato con esperimenti nel mondo reale utilizzando un campione di 25 per 20 aste. Hanno scoperto che la transizione avveniva quando la concentrazione delle aste a flusso "negativo" incrociava un punto critico, circa intorno al 50%. Prima di questo punto, il sistema agiva come un isolante topologico con un certo tipo di stato di bordo; dopo questo punto, agiva come un isolante topologico con il tipo di stato di bordo opposto. Nel mezzo, all'esatto equilibrio, il sistema è diventato un normale isolante senza alcuno stato di bordo speciale.

Questo lavoro non si limita a provare una teoria; apre una nuova porta su come potremmo costruire i dispositivi del futuro. Invece di cercare di costruire materiali perfetti e privi di difetti, potremmo essere in grado di progettare sistemi che usano la casualità a proprio vantaggio. Se possiamo controllare il "bias" (la distorsione) del disordine, possiamo attivare o disattivare il flusso di informazioni o energia, o addirittura invertirlo, semplicemente modificando la miscela degli ingredienti. I ricercatori hanno fornito una piattaforma robusta per esplorare come il disordine e la topologia interagiscono, dimostrando che a volte, un po' di caos è esattamente ciò di cui si ha bisogno per creare qualcosa di veramente ordinato e speciale.