I ricercatori dell'Istituto Max Planck per la scienza della luce di Erlangen hanno scoperto un nuovo meccanismo per guidare la luce nella fibra di cristalli fotonici (PCF). Il PCF è una fibra di vetro sottilissima con una serie regolare di canali cavi che corrono lungo la sua lunghezza. Quando elicoidale attorcigliato, questa serie a spirale di canali cavi agisce sui raggi luminosi in modo analogo alla curvatura dei raggi luminosi quando viaggiano attraverso lo spazio gravitazionalmente curvo attorno a una stella, come descritto dalla teoria della relatività generale.

Le fibre ottiche fungono da tubi per la luce. E proprio come l'interno di un tubo è racchiuso da un muro, le fibre ottiche hanno normalmente un nucleo guidaluce, il cui vetro ha un indice di rifrazione più elevato rispetto al vetro del rivestimento esterno che lo racchiude. La differenza nell'indice di rifrazione fa sì che la luce venga riflessa sull'interfaccia del rivestimento e intrappolata nel nucleo come l'acqua in un tubo. Una squadra guidata da Philip Russell, Direttore del Max Planck Institute for the Science of Light, è il primo a riuscire a guidare la luce in un PCF senza nucleo.

I cristalli fotonici danno alle farfalle il loro colore e possono anche guidare la luce

Un tipico cristallo fotonico è costituito da un pezzo di vetro con fori disposti secondo uno schema periodico regolare in tutto il suo volume. Poiché il vetro e l'aria hanno indici di rifrazione diversi, l'indice di rifrazione ha una struttura periodica. Questo è il motivo per cui questi materiali sono chiamati cristalli:i loro atomi formano un ordine, reticolo tridimensionale come si trova nel sale cristallino o nel silicio, Per esempio. In un cristallo convenzionale, il disegno preciso della struttura 3-D determina il comportamento degli elettroni, risultanti ad esempio in isolanti elettrici, conduttori e semiconduttori.

In modo simile, le proprietà ottiche di un cristallo fotonico dipendono dalla microstruttura periodica 3-D, che è responsabile dei colori scintillanti di alcune ali di farfalla, Per esempio. Essere in grado di controllare le proprietà ottiche dei materiali è utile in un'ampia varietà di applicazioni. Le fibre di cristalli fotonici sviluppate da Philip Russell e dal suo team presso il Max Planck Institute di Erlangen possono essere utilizzate per filtrare lunghezze d'onda specifiche dallo spettro visibile o per produrre luce molto bianca, Per esempio.

Come nel caso di tutte le fibre ottiche utilizzate nelle telecomunicazioni, tutte le fibre a cristalli fotonici convenzionali hanno un nucleo e un rivestimento ciascuno con indici di rifrazione o proprietà ottiche differenti. Nel PCF, i canali pieni d'aria conferiscono già al vetro un indice di rifrazione diverso da quello che avrebbe se completamente solido.

I fori definiscono lo spazio in una fibra di cristallo fotonico

"Siamo i primi a riuscire a guidare la luce attraverso una fibra senza nucleo, " afferma Gordon Wong del Max Planck Institute for the Science of Light di Erlangen. I ricercatori che lavorano nel team di Philip Russell hanno fabbricato una fibra di cristallo fotonico la cui sezione trasversale completa è strettamente imballata con un gran numero di canali pieni d'aria, ciascuno di circa un millesimo di millimetro di diametro, che si estendono per tutta la sua lunghezza.

Mentre il nucleo di un PCF convenzionale è il vetro solido, la vista in sezione trasversale della nuova fibra ottica ricorda un setaccio. I fori hanno separazioni regolari e sono disposti in modo che ogni foro sia circondato da un esagono regolare di fori vicini. "Questa struttura definisce lo spazio nella fibra, " spiega Ramin Beravat, autore principale della pubblicazione. I fori possono essere pensati come indicatori di distanza. L'interno della fibra ha quindi una sorta di struttura spaziale artificiale che è formata dal reticolo regolare di fori.

"Ora abbiamo fabbricato la fibra in una forma attorcigliata, " continua Beravat. La torsione fa sì che i canali cavi si avvolgano intorno alla lunghezza della fibra in linee elicoidali. I ricercatori hanno quindi trasmesso la luce laser attraverso la fibra. Nel caso del normale, sezione trasversale senza nucleo, ci si aspetterebbe effettivamente che la luce si distribuisca tra i fori del setaccio in modo uniforme come determina il loro modello, cioè al bordo tanto quanto al centro. Anziché, i fisici scoprirono qualcosa di sorprendente:la luce era concentrata nella regione centrale, dove si trova il nucleo di una fibra ottica convenzionale.

In un PCF contorto, la luce segue il percorso più breve all'interno della fibra

"L'effetto è analogo alla curvatura dello spazio nella teoria della relatività generale di Einstein, " spiega Wong. Questo predice che una massa pesante come il Sole distorcerà lo spazio che lo circonda - o più precisamente, distorcere lo spaziotempo, cioè la combinazione delle tre dimensioni spaziali con la quarta dimensione, tempo – come un foglio di gomma in cui è posta una sfera di piombo. La luce segue questa curvatura. Il percorso più breve tra due punti non è più una linea retta, ma una curva. Durante un'eclissi solare, le stelle che in realtà dovrebbero essere nascoste dietro il Sole diventano così visibili. I fisici chiamano questi percorsi di collegamento più brevi "geodetiche".

"Torcendo la fibra, anche lo "spazio" nella nostra fibra di cristallo fotonico diventa attorcigliato, " dice Wong. Questo porta a linee geodetiche elicoidali lungo le quali viaggia la luce. Questo può essere compreso intuitivamente tenendo conto del fatto che la luce percorre sempre il percorso più breve attraverso un mezzo. I fili di vetro tra i canali pieni d'aria descrivono spirali, che definiscono possibili percorsi per i raggi luminosi. Il percorso attraverso le ampie spirali ai margini della fibra è più lungo di quello attraverso le spirali più strettamente avvolte nel suo centro, però, risultando in percorsi dei raggi curvi che a un certo raggio vengono riflessi da un effetto di cristallo fotonico verso l'asse della fibra.

Un PCF contorto come sensore ambientale su larga scala

Più la fibra è attorcigliata, più stretto è lo spazio entro il quale si concentrava la luce. In analogia alla teoria di Einstein, ciò corrisponde ad una forza gravitazionale più forte e quindi ad una maggiore deflessione della luce. I ricercatori di Erlangen scrivono di aver creato un "canale topologico" per la luce (la topologia si occupa delle proprietà dello spazio che si conservano in condizioni di distorsione continua).

I ricercatori sottolineano che il loro lavoro è la ricerca di base. Sono uno dei pochissimi gruppi di ricerca che lavorano in questo campo in tutto il mondo. Tuttavia, possono pensare a diverse applicazioni per la loro scoperta. Una fibra ritorta che è meno attorcigliata a determinati intervalli, Per esempio, permetterà a una parte della luce di fuoriuscire verso l'esterno. La luce potrebbe quindi interagire con l'ambiente in questi luoghi definiti. "Questo potrebbe essere usato per sensori che misurano l'assorbimento di un mezzo, per esempio." Una rete di queste fibre potrebbe raccogliere dati su vaste aree come un sensore ambientale.