In un centesimo di miliardesimo di secondo tutte le possibili polarizzazioni della luce vengono alternate: è un risultato importante, raggiunto nei laboratori dell’Istituto di Nanotecnologia del Cnr di Lecce, che apre la strada all’utilizzo di un nuovo tipo di luce facendo leva sulla proprietà della polarizzazione, quella cioè che indica la direzione e il modo in cui il campo elettromagnetico oscilla nel propagarsi alla velocità della luce.
L’attività sperimentale che ha portato all’atteso traguardo è descritta in un articolo pubblicato sulla rivista ‘Light Science & Applications’ dal gruppo di ricerca internazionale che l’ha condotta e che è guidato da Daniele Sanvitto, coordinatore del gruppo di Fotonica avanzata dell’Istituto di Nanotecnologia del Cnr (Nanotec-Cnr) di Lecce, in collaborazione Cnr-Spin di Roma Tor Vergata, Universidad Autonoma di Madrid, Nanyang Technological University di Singapore e Russian Quantum Center di Mosca.
«La principale novità – ha detto a Ilsussidiario.net Lorenzo Dominici di Nanotec-Cnr, che ha guidato l’esperimento – è che in questo caso si è trattato di una polarizzazione variabile in modo ordinato e su un arco di tempo brevissimo; cioè, oltre ad avere tutte le polarizzazioni, queste vengono assunte in successione durante il tempo dell’impulso: quindi c’è un cambiamento continuo in un modo ordinato. Su tempi più lunghi ci sarebbero altri strumenti per variare la polarizzazione, ma qui quel che conta è che il cambiamento avviene durante impulsi ultraveloci: in qualche picosecondo si possono già avere tutte le polarizzazioni in sequenza».
È noto – spiegano al Cnr – che la luce è un campo elettromagnetico vettoriale, per cui esiste una direzione di oscillazione del campo, che può essere lineare, circolare o nei casi intermedi ellittica. La luce solare non è polarizzata e l’occhio umano non ha mai avuto bisogno di percepire questa proprietà, anche se a volte può essere molto utile. Ad esempio nel caso degli occhiali polarizzati che eliminano le riflessioni più intense dalle superfici orizzontali. La maggior parte dei laser e schermi Lcd hanno una polarizzazione lineare, che viene usata anche per aumentare il contrasto nei microscopi a polarizzatori incrociati, mentre quella circolare viene usata in alcuni tipi di cinema 3D.
Le principali tecniche di pulse shaping utilizzate fino ad ora si basavano su una combinazione complessa di modulatori di fase a cristalli liquidi e algoritmi di programmazione, che determinano restrizioni sulla velocità di cambiamento e sulla compattezza del possibile dispositivo. «Partendo dal principio più semplice e universale delle Oscillazioni Rabi – aggiunge Dominici- il risultato da noi ottenuto è scalabile a qualsiasi ordine temporale e su piattaforma non solo ottica». Il ricercatore del Cnr spiega che le Oscillazione Rabi (dal nome del fisico Isador Rabi, premio Nobel 19xx) riguardano i sistemi quantistici, come le oscillazioni tra due possibili livelli energetici di un atomo; ma poi la loro accezione si è estesa anche a sistemi “classici” e quindi si possono vedere anche come un’interferenza tra due frequenze diverse ma di poco, che genera il noto fenomeno dei battimenti (utilizzato anche in musica per accordare gli strumenti). «Nel nostro caso la differenza è che non abbiamo solo due note o due frequenze fondamentali ma stiamo accoppiando tra loro due sistemi, sintonizzati sulla stessa frequenza, uno puramente fotonico e uno dato da dipoli elettronici all’interno dei pozzi quantici nanometrici. Sono quelli ormai noti come eccitoni che consentono di intrappolare la luce assorbendola e poi riemettendola».
Al laboratorio Nanotec l’esperimento è stato implementato in modo compatto, utilizzando speciali particelle, i polaritoni, che si formano quando la luce si accoppia con gli elettroni eccitati in un semiconduttore; molti considerano i polaritoni come “quasiparticelle” date dall’accoppiamento di un eccitone con un fotone: secondo la Treccani “il polaritone è una quasiparticella costituita da un fotone rivestito degli effetti di polarizzazione del reticolo cristallino ai quali dà luogo propagandosi. «Regolando due impulsi di eccitazione con polarizzazione circolare opposta, il nostro dispositivo emette un impulso in cui la polarizzazione cambia in tutte le sue forme (circolare, lineare ed ellittica) in un centomiliardesimo di secondo».
Il nuovo sistema può risultare vantaggioso tutte le volte che si applicano tecniche che siano sensibili alla polarizzazione: «ad esempio nel caso di diffusione della luce da parte di particolato atmosferico, dove la luce può essere diffusa in tutte le direzioni e può essere assorbita o meno a seconda della polarizzazione; quindi, se si sa che c’è una particella che assorbe solo una polarizzazione, si può associare un istante di tempo al momento dell’assorbimento».
Più in generale, questo tipo di luce potrebbe trovare applicazioni in campo medico, sia per la diagnostica in fibra ottica, aumentando l’efficienza nell’identificare patologie, sia per i trattamenti con laser selettivi, come quelli per uso dermatologico e dentistico; oppure estendendo il principio delle oscillazioni Rabi ad altre piattaforme tecnologiche, come ad esempio per aumentare le prestazioni di sistemi lidar e radar per il telerilevamento e il monitoraggio dell’atmosfera.
Variazione della direzione di oscillazione del campo nel tempo (a sinistra) e mappe di distribuzione di intensità e polarizzazione a diversi istanti (a destra)
