Il dispositivo permetterà agli studiosi di esplorare come avvengono i trasferimenti di energia nei sistemi viventi.
di ArXiv
Il pendolo di Newton è un dispositivo molto amato che dimostra le proprietà di conservazione dell’energia e del moto grazie ad una serie di sfere sospese a contatto tra loro. Questi principi della fisica sono applicabili a livello universale, dal cosmologico, all’umano, al subatomico.
Zhen Feng e colleghi della Shanghai Jiao Tong University in Cina sono riusciti a creare un pendolo di Newton in fotoni e credono che possa essere utilizzato per studiare una serie di processi di trasferimento energetico naturali come la fotosintesi e l’olfatto.
Un pendolo di Newton è un dispositivo molto semplice. Una dimostrazione inizia sollevando e lasciando cadere una delle sfere agli estremi della serie. Quando la sfera messa in movimento entra in contatto con la successiva, vi trasferisce energia e moto. Il trasferimento prosegue di sfera in sfera lungo la fila finchè l’ultima sfera, dal lato opposto alla prima, viene sbalzata in aria per poi far ripartire il processo nella direzione opposta. Una volta avviato il processo, il trasferimento di energia e movimento avviene da solo. L’unico input dello sperimentatore è la scelta dell’altezza iniziale a cui far saltare la sfera.
Zhen e colleghi hanno creato un equivalente del pendolo con una serie di guida d’onda incise in un chip fotonico. Un fotone, introdotto nella prima guida d’onda, salta alla seconda ed a ciascuna delle successive, fino ad emergere dall’ultima. Il dispositivo è composto da 23 guide d’onda concatenate. Il fotone si dimostra capace di mantenere la propria “identità” quantica di salto, in salto, sbucando dall’ultima guida d’onda senza perdere coerenza.
Un fattore importante è l’accoppiamento tra le guide d’onda, che assicura al fotone la capacità di compiere il salto senza essere riflesso o riassorbito. Zhen ha perfezionato il progetto del chip fotonico di modo che sia in grado di funzionare senza interventi esterni. “La catena riesce a trasferire energia tra due posizioni remote così come avviene in un pendolo di Newton,” spiegano Zhen e colleghi.
La squadra ha introdotto anche un “rumore” nel pendolo, per verificare se avrebbe portato ad una riduzione nell’efficienza del trasferimento. Quest’obbiettivo è stato realizzato grazie all’aggiunta di una guida d’onda accanto alla catena che agisse da vicolo cieco per i fotoni ed avere l’effetto di impedire o ridurre il trasferimento energetico. “La nuova aggiunta può essere considerata come un rumore, un difetto aggiunto alla catena originale, controllata da dei limiti,” spiegano i ricercatori.
Al contrario di quanto si aspettavano, i ricercatori hanno potuto dimostrare che esiste un’ampia casistica di condizioni in cui questo “rumore”, migliora l’efficienza della trasmissione invece di ridurla.
Questo dato ricorda osservazioni compiute sul trasferimento di energia in natura negli esseri viventi. I sistemi a fotosintesi si comportano in maniera simile. Vai gruppi di studio hanno notato come la presenza di difetti sembra migliorare il trasferimento di energia tra le giganti strutture molecolari coinvolte nella fotosintesi. Un effetto simile si ha nella capacità di percepire odori, generalmente considerato un fenomeno quantistico.
Poter riprodurre questo effetto in un sistema artificiale ne favorirà uno studio dettagliato, con grande beneficio per lo studio dei processi della vita.
Per approfondire: Photonic Newton’s Cradle for Remote Energy Transport
Immagine: Pendolo di Newton fotonico
(lo)
