La luce, di “vetro”

(Cnr)  – La luce è composta da fotoni, particelle elementari che generalmente non interagiscono tra loro tanto intensamente da dare luogo a fasi collettive quali quella liquida o solida, come avviene invece per la materia. Nella fisica moderna la comprensione delle fasi collettive è di particolare rilevanza nei cosiddetti sistemi disordinati o complessi, quelli cioè che presentano molteplici modalità d’interazione. 

Uno dei concetti più paradigmatici e affascinanti della complessità è quello secondo il quale più copie identiche di un sistema disordinato possono mostrare comportamenti completamente differenti tra loro: teorizzato da Giorgio Parisi, tale fenomeno è noto come rottura di simmetria delle repliche e definito come fase vetrosa di un sistema disordinato, poiché caratterizzato da proprietà tipiche dello stato vetroso.

Un gruppo di ricercatori dell’Università La Sapienza di Roma, dell’Istituto sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche (Isc-Cnr), e della Hebrew  University of Jerusalem, coordinato da Eugenio Del Re e Claudio Conti, ha osservato per la prima volta la rottura di simmetria delle repliche per onde luminose che si propagano non linearmente in un mezzo disordinato. La ricerca è pubblicata su Nature Communications.

“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 ed in modo complesso tra loro”, spiega Davide Pierangeli. “Con questa abbiamo confermato come realizzazioni analoghe del sistema possano avere proprietà completamente diverse, pur nelle medesime condizioni sperimentali”.

“Si tratta di una importante verifica fotonica della teoria dei sistemi disordinati. Questo studio dimostra l’universalità del fenomeno di rottura di simmetria delle repliche per onde classiche” prosegue Claudio Conti, direttore dell’Istituto sistemi complessi del Cnr. “La scoperta di una fase vetrosa per la luce apre prospettive uniche per lo studio sperimentale di quei fenomeni complessi che raramente trovano una realizzazione in condizioni di laboratorio controllate”, conclude Eugenio Del Re del Dipartimento di Fisica della Sapienza. La fisica dei sistemi disordinati ha infatti implicazioni enormi nella biologia, nelle neuroscienze, nelle dinamiche sociali, nelle nanotecnologie e nello sviluppo di nuovi materiali.

Riferimenti: Observation of replica symmetry breaking in disordered nonlinear wave propagation – Davide Pierangeli, Andrea Tavani, Fabrizio Di Mei, Aharon J. Agranat, Claudio Conti & Eugenio Del Re – Nature Communications