Nel 2015, ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato il primo metamateriale su chip con un indice di rifrazione pari a zero, il che significa che la fase della luce potrebbe allungarsi all'infinito. Il metamateriale ha rappresentato un nuovo metodo per manipolare la luce ed è stato un importante passo avanti per i circuiti fotonici integrati, che utilizzano la luce anziché gli elettroni per svolgere un'ampia varietà di funzioni.

Ora, I ricercatori SEAS hanno spinto ulteriormente questa tecnologia, sviluppando una guida d'onda a indice zero compatibile con le attuali tecnologie fotoniche al silicio. Così facendo, il team ha osservato un fenomeno fisico che di solito è inosservabile:un'onda di luce stazionaria.

La ricerca è pubblicata su Fotonica ACS . L'Harvard Office of Technology Development ha depositato una domanda di brevetto e sta esplorando opportunità di commercializzazione.

Quando una lunghezza d'onda della luce si muove attraverso un materiale, le sue creste e i suoi avvallamenti si condensano o si allungano, a seconda delle proprietà del materiale. Quanto sono condensate le creste di un'onda luminosa è espresso come un rapporto chiamato indice di rifrazione:maggiore è l'indice, più è schiacciata la lunghezza d'onda.

Quando l'indice di rifrazione viene ridotto a zero, la luce non si comporta più come un'onda in movimento, viaggiando nello spazio in una serie di creste e avvallamenti, altrimenti dette fasi. Anziché, l'onda si allunga infinitamente, creando una fase costante. La fase oscilla solo come variabile di tempo, non spazio.

Questo è interessante per la fotonica integrata perché la maggior parte dei dispositivi ottici utilizza interazioni tra due o più onde, che devono propagarsi in sincronia mentre si muovono attraverso il circuito. Se la lunghezza d'onda è infinitamente lunga, abbinare la fase delle lunghezze d'onda della luce non è un problema, poiché i campi ottici sono gli stessi ovunque.

Ma dopo la svolta iniziale del 2015, il team di ricerca si è imbattuto in un catch-22. Poiché il team ha utilizzato prismi per verificare se la luce sul chip fosse effettivamente allungata all'infinito, tutti i dispositivi sono stati costruiti a forma di prisma. Ma i prismi non sono forme particolarmente utili per i circuiti integrati. Il team voleva sviluppare un dispositivo che potesse collegarsi direttamente ai circuiti fotonici esistenti e per questo, la forma più utile è un filo dritto o una guida d'onda.

I ricercatori, guidati da Eric Mazur, il Professore di Fisica Balkanski, costruì una guida d'onda ma, senza l'aiuto di un prisma, non aveva un modo semplice per dimostrare se aveva un indice di rifrazione pari a zero.

Quindi, i borsisti post-dottorato Orad Reshef e Philip Camayd-Muñoz hanno avuto un'idea.

Generalmente, una lunghezza d'onda della luce è troppo piccola e oscilla troppo velocemente per misurare qualsiasi cosa tranne una media. L'unico modo per vedere effettivamente una lunghezza d'onda è combinare due onde per creare interferenza.

Immagina le corde di una chitarra, appuntato su entrambi i lati. Quando si pizzica una corda, l'onda viaggia attraverso la corda, colpisce il perno dall'altra parte e viene riflesso indietro, creando due onde che si muovono in direzioni opposte con la stessa frequenza. Questo tipo di interferenza è chiamata onda stazionaria.

Reshef e Camayd-Muñoz hanno applicato la stessa idea alla luce nella guida d'onda. Hanno "bloccato" la luce facendo brillare fasci in direzioni opposte attraverso il dispositivo per creare un'onda stazionaria. Le singole onde oscillavano ancora velocemente ma oscillavano alla stessa frequenza in direzioni opposte, nel senso che in certi punti si annullavano a vicenda e in altri punti si sommavano, creando un motivo tutto chiaro o tutto scuro. E, a causa del materiale a indice zero, la squadra è stata in grado di allungare la lunghezza d'onda abbastanza grande da vedere.

Questa potrebbe essere la prima volta che si vede un'onda stazionaria con lunghezze d'onda infinitamente lunghe.

"Siamo stati in grado di osservare una dimostrazione mozzafiato di un indice pari a zero, " disse Reshef, che ha recentemente accettato una posizione presso l'Università di Ottawa. "Propagandosi attraverso un mezzo con un indice così basso, queste caratteristiche d'onda, che alla luce sono in genere troppo piccoli per essere rilevati direttamente, sono espanse in modo da poterle vedere con un normale microscopio."

"Questo aggiunge uno strumento importante alla cassetta degli attrezzi della fotonica del silicio, " disse Camayd-Muñoz. "C'è una fisica esotica nel regime di indice zero, e ora lo stiamo portando alla fotonica integrata. Questo è un passo importante, perché significa che possiamo collegarci direttamente ai dispositivi ottici convenzionali, e trovare usi reali per i fenomeni a indice zero. Nel futuro, I computer quantistici possono essere basati su reti di atomi eccitati che comunicano tramite fotoni. L'intervallo di interazione degli atomi è approssimativamente uguale alla lunghezza d'onda della luce. Aumentando la lunghezza d'onda, possiamo abilitare interazioni a lungo raggio per espandere i dispositivi quantistici".