La luce può ruotare come un turbine? I ricercatori hanno ora dimostrato che è possibile. Scienziati della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia, dell’Università Militare di Tecnologia e dell’Institut Pascal CNRS dell’Université Clermont Auvergne hanno creato dei “tornado ottici” vorticosi all’interno di una struttura estremamente piccola. Questa scoperta apre la strada a un nuovo metodo per costruire sorgenti luminose miniaturizzate con forme complesse, che potrebbero supportare dispositivi fotonici più semplici e scalabili per la comunicazione ottica e le tecnologie quantistiche.
“La nostra soluzione combina diversi campi della fisica, dalla meccanica quantistica, all’ingegneria dei materiali, all’ottica e alla fisica dello stato solido”, spiega il Prof. Jacek Szczytko della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia, a capo del gruppo di ricerca. “L’ispirazione è venuta da sistemi noti in fisica atomica, dove gli elettroni possono occupare diversi stati energetici. In fotonica, un ruolo simile è svolto dalle trappole ottiche, che confinano la luce anziché gli elettroni.”
Che cos’è un vortice ottico?
“Si può immaginare come un vortice ottico”, afferma il dottor Marcin Muszyński della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia e del Dipartimento di Fisica del City College di New York, primo autore dello studio. “L’onda luminosa si attorciglia attorno al proprio asse e la sua fase cambia in modo spirale. Inoltre, anche la polarizzazione, ovvero la direzione di oscillazione del campo elettrico, inizia a ruotare.”
Questi stati di luce strutturata sono interessanti per applicazioni come la comunicazione quantistica e il controllo di oggetti microscopici. Tuttavia, la loro produzione ha tipicamente richiesto nanostrutture complesse o grandi sistemi sperimentali.
I cristalli liquidi offrono un percorso più semplice
Il team ha optato per una strategia diversa. “Invece di costruire sistemi complessi, abbiamo utilizzato un cristallo liquido, un materiale con proprietà intermedie tra un liquido e un solido. Sebbene possa fluire come un liquido, le sue molecole si dispongono in modo ordinato, mantenendo un orientamento e posizioni relative fisse, proprio come in un cristallo”, spiega Joanna Mędrzycka, studentessa di nanotecnologie presso la Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia, che, insieme alla Dott.ssa Eva Oton dell’Università Militare di Tecnologia, ha preparato i campioni di cristalli liquidi.
All’interno di questo materiale possono formarsi difetti speciali noti come toroni. “Si possono immaginare come spirali strettamente attorcigliate, simili al DNA, lungo le quali sono disposte le molecole di cristalli liquidi. Se una spirale di questo tipo viene chiusa unendo le sue estremità a formare un anello simile a una ciambella, si ottiene un torone”, spiega Mędrzycka. “Queste strutture agiscono come trappole microscopiche per la luce. Un passaggio fondamentale è stato la creazione di un equivalente di un campo magnetico per i fotoni. Sebbene la luce non risponda a un campo magnetico come fanno gli elettroni, un comportamento simile può essere ottenuto per la luce con altri mezzi.”
Un “campo magnetico sintetico” per la luce
“La birifrangenza spazialmente variabile, ovvero la differenza nella propagazione delle diverse polarizzazioni della luce, agisce come un campo magnetico sintetico”, spiega il dott. Piotr Kapuściński della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia. “La definiamo ‘sintetica’ perché la sua descrizione matematica ricorda il comportamento di un campo magnetico, anche se fisicamente non è presente. Di conseguenza, la luce inizia a ‘curvarsi’, proprio come gli elettroni che si muovono nelle orbite di ciclotrone.”
Per intensificare l’effetto, il torone è stato posizionato all’interno di una microcavità ottica, una struttura composta da specchi che riflette ripetutamente la luce e la confina per periodi più lunghi. “Questo rende il campo molto più intenso”, afferma il dottor Muszyński. “Inoltre, possiamo controllare le dimensioni della trappola, e quindi le proprietà della luce, utilizzando una tensione elettrica esterna.”
Vortici di luce stabili nello stato fondamentale
Il risultato più eclatante è arrivato subito dopo.
“Nei sistemi tipici, la luce che trasporta momento angolare orbitale appare negli stati eccitati”, spiega il Prof. Guillaume Malpuech dell’Université Clermont Auvergne e del CNRS, che, insieme al Prof. Dmitry Solnyshkov e al post-doc Daniil Bobylev, ha sviluppato il modello teorico del fenomeno. “Per la prima volta, siamo riusciti a ottenere questo effetto nello stato fondamentale, ovvero nello stato di energia più bassa. Questo è significativo perché lo stato fondamentale è il più stabile e quello in cui è più facile accumulare energia.”
“Questo rende molto più facile ottenere l’emissione laser”, sottolinea il professor Szczytko. “La luce ‘sceglie’ naturalmente questo stato perché è associato alle perdite più basse.”
Per confermare ciò, i ricercatori hanno introdotto un colorante laser nel sistema. “Abbiamo ottenuto una luce che non solo ruota, ma si comporta anche come luce laser: è coerente e ha un’energia e una direzione di emissione ben definite”, afferma il dottor Marcin Muszyński.
Verso tecnologie fotoniche e quantistiche più semplici
“È interessante notare che il nostro approccio trae ispirazione da teorie molto avanzate che coinvolgono la cosiddetta carica vettoriale”, aggiunge il Prof. Dmitry Solnyshkov. “Quindi, in un certo senso, siamo riusciti a far sì che i fotoni si comportino non solo come elettroni, ma anche come quark, le particelle cariche che compongono i protoni.”
“Questa scoperta apre una nuova strada per la creazione di sorgenti luminose miniaturizzate con strutture complesse. Dimostra che, invece di affidarci a complesse nanotecnologie, possiamo utilizzare materiali auto-organizzanti”, conclude il Prof. Wiktor Piecek dell’Università Militare di Tecnologia. “In futuro, ciò potrebbe consentire la realizzazione di dispositivi fotonici più semplici e scalabili, ad esempio per le comunicazioni ottiche o le tecnologie quantistiche.”
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