Osservato lo stato vetroso della luce

Mercoledì, 15 Novembre, 2017

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
Article on Nature Communications

Un gruppo di ricerca di Sapienza, ISC-CNR, e Gerusalemme, ha osservato una nuova fase per la propagazione luminosa caratterizzata da proprietà tipiche dello stato vetroso. La ricerca pubblicata su Nature Communications. A differenza della materia, la luce in natura non sembra manifestarsi in molteplici fasi. Questo perché le particelle elementari che la compongono, i fotoni, generalmente non interagiscono così intensamente tra loro per dar luogo a fasi collettive, come quella liquida o solida. Nella fisica moderna è di particolare rilevanza la comprensione di fasi collettive in sistemi che presentano molteplici modalità d’interazione, tanto da potersi considerare disordinati o complessi. Uno dei concetti più paradigmatici e affascinanti della complessità è quello secondo cui copie identiche di un sistema disordinato possono mostrare comportamenti completamente differenti tra loro. Teorizzato da Giorgio Parisi, esso è noto come rottura di simmetria delle repliche e definisce la fase vetrosa di un sistema disordinato. Un gruppo di ricercatori dell’Università La Sapienza, dell’ISC del Consiglio Nazionale delle Ricerche, e della Habrew University of Jerusalem, coordinato da Eugenio Del Re e Claudio Conti del Dipartimento di Fisica della Sapienza, ha osservato per la prima volta il fenomeno di rottura di simmetria delle repliche per onde luminose che si propagano non linearmente in un mezzo disordinato. 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 i ricercatori hanno 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. “Abbiamo osservato come realizzazioni analoghe del sistema possano avere proprietà completamente diverse, pur nelle medesime condizioni sperimentali” spiega Davide Pierangeli. “Si tratta di una importante verifica fotonica della teoria della teoria dei sistemi disordinati. Questo studio dimostra l’universalità del fenomeno di rottura di simmetria delle repliche per onde classiche” prosegue Claudio Conti. “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. La fisica dei sistemi disordinati ha infatti implicazioni enormi nella biologia, nelle neuroscienze, nelle dinamiche sociali, nelle nanotecnologie e nello sviluppo di nuovi materiali.

Abstrcat
A landmark of statistical mechanics, spin-glass theory describes critical phenomena in disordered systems that range from condensed matter to biophysics and social dynamics. The most fascinating concept is the breaking of replica symmetry: identical copies of the randomly interacting system that manifest completely different dynamics. Replica symmetry breaking has been predicted in nonlinear wave propagation, including Bose-Einstein condensates and optics, but it has never been observed. Here, we report the experimental evidence of replica symmetry breaking in optical wave propagation, a phenomenon that emerges from the interplay of disorder and nonlinearity. When mode interaction dominates light dynamics in a disordered optical waveguide, different experimental realizations are found to have an anomalous overlap intensity distribution that signals a transition to an optical glassy phase. The findings demonstrate that nonlinear propagation can manifest features typical of spin-glasses and provide a novel platform for testing so-far unexplored fundamental physical theories for complex systems.