Il confine tra materia e luce si assottiglia sempre più quando entrano in gioco le strutture topologiche, arrangiamenti che mantengono la loro identità anche sotto deformazioni o perturbazioni. Un team di ricercatori di Singapore e Giappone ha dimostrato come creare veri e propri cristalli di hopfion usando fasci luminosi colorati, aprendo scenari inediti per l’archiviazione e la trasmissione dei dati in fotonica. Una scoperta che potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui concepiamo l’informazione intrecciata nella luce stessa.
Quando la luce imita i cristalli
Gli hopfion sono strutture tridimensionali dove i pattern di “spin” interno si intrecciano in anelli chiusi e interconnessi, simili a nodi. Finora erano stati osservati solo come entità isolate, in campi magnetici o luminosi. L’innovazione sta nell’aver trovato un metodo per ordinarli in array periodici, simili a reticoli atomici, ma che si replicano sia nello spazio sia nel tempo.
Il segreto è l’uso di campi bicromatici, con il vettore elettrico che varia continuamente la polarizzazione. Sovrapponendo fasci con diverse modalità spaziali e polarizzazioni opposte, gli scienziati hanno definito uno “pseudospin” che evolve in modo controllato, creando strutture ordinate e ripetitive.
L’architettura del controllo topologico
Quando i due colori hanno rapporti semplici, il campo oscilla con un periodo fisso, generando catene di hopfion che si ripetono ciclicamente. Da qui è possibile scolpire versioni più complesse e modulabili, regolando quante volte gli anelli si avvolgono o invertendone il segno con lo scambio delle lunghezze d’onda.
Le simulazioni mostrano che i campi prodotti hanno qualità topologica quasi ideale, e i ricercatori puntano a estendere il concetto verso veri cristalli tridimensionali, realizzati con reticoli di emettitori microscopici sincronizzati in fase e polarizzazione.
Dalle antenne alle applicazioni
Il reticolo si divide naturalmente in sottocelle con topologia opposta, mantenendo però un pattern stabile. Configurazioni pratiche potrebbero includere array di dipoli, accoppiatori a reticolo o antenne a microonde. Diversamente dagli hopfion ottici del passato, basati sulla propagazione del fascio, questo design opera su un piano fisso sfruttando l’oscillazione periodica spazio-temporale.
Il team ha anche analizzato le condizioni in cui le strutture possono “viaggiare” senza perdere integrità e quando invece la diffrazione le destabilizza. Le implicazioni sono notevoli: se skyrmion e altre texture topologiche hanno già rivoluzionato l’archiviazione magnetica, i cristalli di hopfion luminosi potrebbero consentire comunicazioni resilienti, codifica ad alta dimensione e nuove tecniche per intrappolare atomi.
Secondo i ricercatori, la nascita dei cristalli di hopfion spazio-temporali apre la strada a un’elaborazione dell’informazione robusta e condensata nei domini ottici, terahertz e microonde. Non più dati che viaggiano semplicemente nella luce, ma informazioni intrecciate nella sua struttura topologica, immuni a gran parte delle interferenze e dei degradi che oggi limitano le tecnologie fotoniche.