Una nuova legge termodinamica, la Bose-Einstein pesata (wBE), un nuovo modello di termodinamica ottica – Lo studio pubblicato su Nature Communications dalla Sapienza Università di Roma permette di descrivere sistemi ottici multimodali attraverso una nuova legge termodinamica in grado di riprodurre i dati con grande accuratezza. I risultati del lavoro hanno importanti ricadute tecnologiche nella progettazione di sistemi di trasmissione in fibra ottica di nuova generazione.
Uno studio condotto presso il laboratorio di Fotonica Nonlineare del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione, elettronica e telecomunicazioni (DIET) della Sapienza ha analizzato per la prima volta strutture ottiche complesse come quelle multimodali – un particolare tipo di fibra ottica, impiegate soprattutto per le comunicazioni a breve distanza – utilizzando semplici leggi termodinamiche ottiche.
Fino ad oggi queste strutture venivano progettate con complesse equazioni nonlineari.
I ricercatori invece sono partiti da nuovi risultati sperimentali su lunghe tratte di fibra multimodale, giungendo a identificare una nuova legge termodinamica in grado di riprodurre i dati con grande accuratezza. I risultati del lavoro, pubblicati sulla rivista Nature Communications, hanno importanti ricadute tecnologiche nella progettazione di sistemi di trasmissione in fibra ottica di nuova generazione.
“Abbiamo trovato – spiega Mario Zitelli della Sapienza, primo autore dello studio – una nuova legge termodinamica, la Bose-Einstein pesata (wBE), che descrive le distribuzioni di fotoni nelle strutture multimodali meglio della legge precedentemente nota, la Rayleigh-Jeans (RJ). Abbiamo visto poi che le distribuzioni di fotoni, man mano che si aumenta la potenza ottica che viaggia in fibra, passano attraverso stati di condensazione locale dove i fotoni si addensano in gruppi di modi intermedi, per poi formare condensati globali, dove tutti i fotoni tendono a concentrarsi nel modo fondamentale della struttura sotto forma di solitoni ottici”.
Lo studio ha quindi identificato una analogia fra gli stati della materia e quelli dei fotoni nelle strutture multimodali, misurando stati gassosi, vetrosi e solidi dei fotoni: le distribuzioni di fotoni osservate nelle fibre multimodo possono essere interpretate in termini termodinamici, dove il regime di propagazione lineare corrisponde ad un gas di fotoni; nel regime di potenza intermedia il sistema evolve verso stati vetrosi condensati localmente (glassy states), mentre ad alta potenza si formano solitoni ottici condensati nel modo fondamentale, simile ad un solido.
“L’analogia fra stati della materia e quelli dei fotoni nelle strutture multimodali – commenta Zitelli – è affascinante, oltre che utile sul piano progettuale. L’estensione della termodinamica nel dominio dell’ottica è un argomento che attrae i fisici e gli ingegneri ottici da qualche anno e sono numerosi gli esperimenti in corso nel tentativo di progettare macchine ottiche termodinamiche”.
Riferimenti:
Statistics of modal condensation in nonlinear multimode fibers – Zitelli, M., Mangini, F. & Wabnitz, S. – Nature Communication (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-45185-3
Testo dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma
