Le interazioni tra luce e materia sono un'unità fondamentale della fisica moderna, ma recentemente i ricercatori hanno iniziato a guardare oltre le interazioni standard dei libri di testo.

Alexandra Boltasseva è professore di ingegneria elettrica e informatica alla Purdue University. Per anni, ha lavorato con metamateriali ottici (materiali artificiali contenenti nanostrutture che conferiscono loro proprietà visive uniche) per creare nanopinzette, metasuperfici e altri piccoli oggetti. Ora, sta esplorando un capitolo completamente nuovo della fisica.

"Se guardiamo un libro di testo e c'è un capitolo su come la luce interagisce con la materia, passerebbe da come la luce interagisce con i materiali trasparenti a come la luce interagisce con i materiali riflettenti, " ha detto Boltasseva. "Quello che andremo a studiare è questa zona tra i due tipi."

Quando la luce si propaga attraverso materiali trasparenti, la luce non cambia molto, il che significa che ha una permittività dielettrica positiva (chiamata anche epsilon). È vero il contrario per i materiali riflettenti, che espellono la luce e hanno una permittività negativa (epsilon negativo). Tra positivo e negativo c'è un esotico, regione in gran parte inesplorata denominata Epsilon-Near-Zero (ENZ).

Quando la luce entra in un mezzo la cui permittività è zero, gli osservatori vedranno la stessa luce entrare ed uscire. È quasi come se la luce scavasse un tunnel da un lato all'altro senza cambiare le sue proprietà, un fenomeno improbabile in fisica.

"Poiché lo zero è così diverso da più e meno uno, ci aspettiamo che accadano molte cose interessanti lì, " ha detto Boltasseva. "Porta in gioco completamente la fisica delle notizie e le intuizioni".

Media ENZ convenzionali, come il metallo, hanno passaggi per lo zero naturali ma spesso subiscono una perdita di materiale (assorbimento della luce) in quel punto. Trovare un materiale che ha un passaggio per lo zero ma non consente l'assorbimento della luce sarà difficile, disse Boltasseva.

Il team di ricerca prevede di sperimentare sia materiali naturali che nuovi metamateriali, sebbene i materiali naturali abbiano maggiori probabilità di subire assorbimento. L'aggiunta di un mezzo che amplifica la luce potrebbe contrastare l'assorbimento, ma sarebbe impegnativo. Il gruppo ritiene che gli ossidi conduttori trasparenti e i nitruri di metalli di transizione (materiali di nuova concezione che hanno un punto ENZ naturale nelle gamme di lunghezze d'onda del visibile e del vicino infrarosso, oltre a proprietà ottiche personalizzabili) potrebbe aiutare a risolvere questo problema.

Sebbene Boltasseva ritenga che il maggiore impatto di questo progetto sarà sulla scienza fondamentale, pensa che porterà anche a nuove applicazioni per dispositivi.

"La modulazione ultraveloce è uno dei grandi problemi dell'ottica. C'è sempre un compromesso. O stai cambiando le cose molto lentamente a una grande ampiezza, o molto veloce ma in una piccola gamma. Spero che possiamo rompere questo ciclo, " ha detto. "Questo potrebbe portare a una varietà di dispositivi ottici ultraveloci per la comunicazione e le tecnologie dell'informazione".