Innovativi dispositivi fotonici, grazie all’interazione tra perdita e guadagno
I mezzi fotonici con guadagno e perdita offrono entusiasmanti potenzialità, in termini di controllo della radiazione elettromagnetica nei microlaser e nei nanolaser. Alcuni scienziati hanno avviato il progetto NOLACOME (Nonlinear optics and lasing in complex media), per effettuare un’analisi teorica dettagliata di importanti argomenti correlati. Stimolati dalla potenzialità dei sistemi ottici che combinano perdita e guadagno, i ricercatori hanno esaminato accuratamente la diffusione nelle cavità simmetriche parità-tempo (PT) descritte da hamiltoniani non hermitiani. Le proprietà di diffusione di tali cavità sono cruciali per comprendere i laser PT e la loro relazione con le controparti a tempo inverso, gli antilaser. Il team ha esaminato a fondo i punti dove la simmetria si rompe, sia in cavità chiuse che aperte. In generale, le cavità ottiche non hermitiane hanno recentemente suscitato grande attenzione, perché conducono a una molteplicità di fenomeni straordinari, tra cui l’invisibilità unidirezionale. È un esempio notevole di ottica a illusione: la riflessione della luce è pari a zero se misurata da un’estremità in corrispondenza di punti eccezionali (che rompono la simmetria) e diversa da zero se misurata dall’altra estremità della struttura. I materiali che integrano mezzi sia di perdita che di guadagno possono agire come mezzi invisibili unidirezionali. I ricercatori hanno chiarito meglio le peculiari proprietà di tali amplificatori di potenza che svolgono un ruolo chiave nell’attenuazione delle perdite in strutture plasmoniche attive. La realizzazione di una propagazione della luce unidirezionale senza perdite (senza riflessioni), nelle guide d’onda plasmoniche può condurre a una nuova generazione di dispositivi nanofotonici integrati estremamente compatti. Studiando le prime onde temporali di intensità costante e le relative instabilità in presenza di mezzi (in forma casuale) con guadagno e perdita, i ricercatori hanno dimostrato che non esistono riflessioni durante la propagazione. Queste onde unidirezionali sono una generalizzazione di onde piane che si propagano nello spazio libero in mezzi non hermitiani. Un altro elemento di cui si è occupata la ricerca riguardava gli effetti non lineari in sistemi fotonici aperti con guadagno e perdita. Il team è riuscito a descrivere la dinamica temporale di laser di fotoni simmetrici PT non lineari accoppiati, risolvendo equazioni di effetto laser non lineari. Esaminando gli stati di oscillatore, ha approfondito la conoscenza sugli effetti della saturazione non lineare nella rottura della simmetria. I risultati hanno dimostrato l’esistenza di una nuova transizione di fase da uno stato di rumore termico elevato a uno stato di effetto laser a bassa amplitudine. I risultati di NOLACOME presentano la possibilità di sviluppare dispositivi e strutture ottici sintetici con funzionalità più potenti.
Parole chiave
Perdite ottiche, laser, ottica non lineare, effetto laser, invisibilità unidirezionale non hermitiana
