La fisica quantistica tradotta in realtà tangibile

La procedura abituale è la seguente: si dispone di un sistema fisico complesso e si cerca di spiegarne il comportamento con un modello il più semplice possibile. Sebastian Huber, professore assistente presso l'Istituto di Fisica Teorica, dimostra che è possibile anche il contrario: sviluppa sistemi macroscopici che mostrano esattamente le proprietà previste dalla teoria ma non ancora osservate a questo livello.

Due anni e mezzo fa è riuscito a creare un esempio vivido di ciò. Insieme al suo team, ha costruito un dispositivo meccanico composto da 270 pendoli collegati tra loro da molle in modo tale che l'installazione si comporta come un cosiddetto isolante topologico. Ciò significa che i pendoli e le molle sono dimensionati in modo tale che solo i pendoli ai bordi dell'installazione si muovono quando vengono stimolati da vibrazioni esterne, ma non quelli al centro (ETH News). segnalato).

Oscillazione solo agli angoli

Il nuovo lavoro, pubblicato questa settimana sulla rivista pagina esternaLa natura Il primo lavoro pubblicato riguarda un sistema macroscopico. Questa volta, però, non si tratta di un grande dispositivo meccanico, ma di un oggetto pratico. Huber e il suo team hanno strutturato un wafer di silicio di circa 10 x 10 centimetri, composto da 100 piccoli piatti collegati tra loro da sottili ragnatele. Il trucco: quando il disco viene eccitato con gli ultrasuoni, solo le piastrine agli angoli vibrano, mentre le altre piastrine rimangono ferme, anche se sono tutte collegate tra loro.

L'ispirazione di Huber per il nuovo materiale è venuta da un articolo pubblicato circa un anno fa da gruppi di Urbana-Champaign e Princeton. In quell'occasione, i ricercatori hanno presentato un nuovo approccio teorico per un cosiddetto isolante topologico di secondo ordine. "In un isolante topologico convenzionale, l'oscillazione si propaga solo sulla superficie, ma non all'interno", spiega Huber. "Nel caso dell'installazione del pendolo, ciò significa che la disposizione bidimensionale porta a un modello di vibrazione unidimensionale lungo i bordi.

In un isolante topologico del secondo ordine, tuttavia, il fenomeno si riduce a due dimensioni. Di conseguenza, nel wafer di silicio bidimensionale, l'oscillazione non avviene più lungo i bordi, ma solo negli angoli, cioè in un punto a dimensione zero. "Siamo i primi ad essere riusciti a produrre sperimentalmente l'isolante topologico di ordine superiore previsto", spiega Huber.

Un nuovo concetto teorico

Anche in questo caso Huber ha creato qualcosa che si comporta esattamente come previsto dalla teoria. Per risolvere questo "problema inverso", Huber si è affidato a un approccio sistematico che ha sviluppato insieme al gruppo di Chiara Daraio, ora professoressa al Caltec, e pubblicato questa settimana anche sulla rivista pagina esternaMateriali naturali pubblicato. In poche parole, Huber mostra in questo lavoro come una funzionalità prevista teoricamente possa essere tradotta in una geometria concreta. "Nel nostro esempio, abbiamo provato questo metodo per le vibrazioni meccaniche, accoppiando elementi con modi di vibrazione chiaramente definiti Chi siamo", spiega Huber. "Ma il metodo può essere trasferito anche ad altre applicazioni, come i sistemi ottici o elettrici".

Estensione alla terza dimensione

Huber ha già dei piani chiari su come procedere: Vuole realizzare un isolante topologico tridimensionale del secondo ordine, in cui le vibrazioni siano trasmesse in una sola dimensione. Per questo progetto ha recentemente ottenuto un Consolidator Grant dal Consiglio europeo della ricerca (ERC). Huber spiega l'idea di base: "Impiliamo diverse di queste strutture bidimensionali una sull'altra, in modo da creare alla fine una struttura tridimensionale. In questa struttura, le informazioni o l'energia possono essere convogliate dal punto A al punto B in un canale unidimensionale".

Huber vede diverse possibili applicazioni. Ad esempio, questi nuovi isolanti topologici potrebbero essere utilizzati per costruire guide d'onda robuste e precise per le reti di comunicazione. Questi materiali potrebbero essere interessanti anche per il settore energetico, ad esempio nel "energy harvesting", dove l'energia proveniente da una fonte ambientale diffusa viene focalizzata in modo tale da poter essere utilizzata per scopi tecnici.

Interessante anche per i teorici

Tuttavia, i risultati di Huber non interesseranno solo gli ingegneri e i ricercatori sui materiali, ma anche la fisica teorica. "La cosa cruciale da un punto di vista teorico è che alcuni isolanti topologici del secondo ordine non sono descritti matematicamente come dipoli, come gli isolanti topologici convenzionali, ma come quadrupoli, che sono molto più complessi", spiega Huber. "Il fatto che ora siamo riusciti a realizzarlo sperimentalmente per la prima volta in una struttura macroscopica è quindi una svolta anche per i teorici".