Le fibre ottiche sono la spina dorsale delle moderne comunicazioni, spola informazioni da A a B attraverso sottili filamenti di vetro come impulsi di luce. Sono ampiamente utilizzati nelle telecomunicazioni, consentendo alle informazioni di viaggiare praticamente alla velocità della luce senza perdite.

In questi giorni, biologi, fisici e altri scienziati usano regolarmente le fibre ottiche per convogliare la luce all'interno dei loro laboratori. In una recente applicazione, i laboratori di ricerca quantistica hanno rimodellato le fibre ottiche, allungandoli in minuscoli coni (vedi Nanofibre e trappole luminose di design). Per questi coni su scala nanometrica, o nanofibre, la luce iniettata si fa ancora strada da A a B, ma una parte è costretta a viaggiare al di fuori della superficie esterna della fibra. La luce esterna, o campo evanescente, può catturare atomi e quindi trasportare informazioni su quell'interazione luce-materia a un rivelatore.

La messa a punto di tali campi di luce evanescente è difficile e richiede strumenti per caratterizzare sia la fibra che la luce. A tal fine, i ricercatori del JQI e dell'Army Research Laboratory (ARL) hanno sviluppato un nuovo metodo per misurare il modo in cui la luce si propaga attraverso una nanofibra, consentendo loro di determinare lo spessore della nanofibra con una precisione inferiore alla larghezza di un atomo. La tecnica, descritto nel 20 gennaio, Edizione 2017 della rivista ottica , è diretto, veloce e, a differenza del metodo di imaging standard, preserva l'integrità della fibra. Di conseguenza, la sonda può essere utilizzata in situ con l'attrezzatura di fabbricazione di nanofibre, che semplificherà l'implementazione nell'ottica quantistica e negli esperimenti di informazione quantistica. Lo sviluppo di strumenti affidabili e precisi per questa piattaforma può consentire la tecnologia delle nanofibre per applicazioni di rilevamento e metrologia.

Le onde luminose hanno una dimensione caratteristica chiamata lunghezza d'onda. Per la luce visibile, la lunghezza d'onda è circa 100 volte più piccola di un capello umano. La luce può anche avere l'aspetto di forme diverse, un cerchio così solido, squillo, trifoglio e altro (vedi immagine sotto). Le fibre limitano il modo in cui le onde luminose possono viaggiare e torcere o piegare una fibra altera le caratteristiche della luce. Le nanofibre sono realizzate rimodellando una normale fibra in un design simile a una clessidra, che influenza ulteriormente le onde luminose guidate.

In questo esperimento, i ricercatori iniettano una combinazione di forme di luce in una nanofibra. La luce passa lungo un cono assottigliato, stringe attraverso una vita stretta, e poi esce dall'altro lato del cono. La dimensione variabile della fibra distorce le onde luminose, e molteplici motivi emergono dalle forme di luce interferenti (vedi JQI News on Collecting lost light). Questo è analogo alle note musicali, o onde sonore, battendo insieme per formare un accordo complesso.

I ricercatori effettuano misurazioni dirette dei modelli di interferenza (battiti). Per fare questo, impiegano una seconda fibra di dimensioni micron che funge da sensore non invasivo. La nanofibra è su un palco in movimento e attraversa la fibra della sonda con un angolo obliquo. Al punto di contatto, una minuscola frazione della luce delle nanofibre entra in modo evanescente nella seconda fibra e viaggia verso un rivelatore. Mentre scansionano la sonda lungo la lunghezza della nanofibra, il rilevatore della sonda raccoglie informazioni sui modelli in evoluzione della luce delle nanofibre. I ricercatori monitorano simultaneamente la luce che trasmette attraverso la nanofibra per garantire che il processo della sonda sia innocuo.

Il team può raggiungere un alto livello di precisione con questa tecnica perché non sta riprendendo la fibra con una fotocamera, che avrebbe una risoluzione spaziale limitata dalla lunghezza d'onda della luce raccolta. Lo studente laureato UMD Pablo Solano spiega, "In realtà stiamo vedendo le diverse modalità di luce mescolarsi insieme e questo pone i limiti nel determinare la vita della fibra, in questo caso sub-angstrom". Uno strumento standard noto come microscopia elettronica a scansione (SEM) può anche misurare le dimensioni delle fibre con una risoluzione su scala nanometrica. Questo, però, presenta uno svantaggio comparato, dice Eliot Fenton, uno studente universitario UMD che lavora al progetto, "Con il nostro nuovo metodo, possiamo evitare di usare SEM, che distrugge la fibra con prodotti chimici e riscaldamento." Altre tecniche comportano la raccolta di luce diffusa casualmente dalla fibra, che è meno diretto e suscettibile di errori. Solano riassume come i ricercatori possono trarre vantaggio da questo nuovo strumento, "Misurando in modo diretto e sensibile l'interferenza (battito) della luce senza distruggere la fibra, possiamo conoscere esattamente il tipo di campo elettromagnetico che applicheremmo agli atomi".