Un decennio dopo aver suggerito che la luce può essere drasticamente rallentata - o addirittura fermata - da nuovi materiali, Ortwin Hess esamina i progressi e le applicazioni.

La velocità massima della luce è molto veloce:299, 792, 458 metri al secondo. Passando attraverso materiali trasparenti, come acqua o vetro, rallenta leggermente. Però, gli scienziati pensano che rallentando la luce in misura molto maggiore - rendendola milioni di volte più lenta - potrebbero usarla in modi completamente nuovi, come trasmettere e immagazzinare informazioni o interrogare e controllare singole molecole.

Nel 2007, Professor Ortwin Hess, ora Leverhulme Chair in Metamaterials nel Dipartimento di Fisica dell'Imperial, ha pubblicato un documento teorico con il suo studente Kosmas Tsakmakidis e il loro collaboratore Allan Boardman.

Hanno suggerito che utilizzando i metamateriali - quelli progettati per avere proprietà non presenti in natura - potrebbero rallentare la luce, e persino intrappolarlo. Ora, 10 anni dopo, hanno pubblicato una recensione in Scienza di come quell'idea abbia portato a nuove teorie, esperimenti e applicazioni.

Abbiamo parlato con il professor Hess di come la luce lenta formi un "arcobaleno intrappolato", e come le potenziali applicazioni si estendono ora all'archiviazione magnetica, laser, imaging biologico e persino scudi antisismici.

Cos'è l'"arcobaleno intrappolato" e come funziona?

Il processo di creazione di un arcobaleno intrappolato si basa su metamateriali o strutture nanoplasmoniche dotate di speciali proprietà negative, circondato da materiali "normali".

Mentre la luce si muove attraverso il materiale speciale, viene spinto indietro a piccoli passi dove i due materiali si incontrano. È come salire su un ripido, pendio innevato – ogni passo che fai, scivoli indietro un po', rallentando i tuoi progressi.

La differenza nel materiale è che ogni volta che la luce viene respinta rallenta sempre di più. Infine, mentre la luce bianca rallenta, le sue diverse componenti – tutti i colori dello spettro – si fermano in punti diversi, creando un "arcobaleno intrappolato".

Dall'idea originale, molti gruppi hanno testato vari modi per farlo funzionare. Alcuni dei materiali sono cambiati, ma l'idea rimane la stessa e ha portato ad alcune interessanti potenziali applicazioni.

Nel tuo documento originale hai suggerito che potrebbe essere utilizzato per il trasferimento dei dati. Come funzionerebbe?

Poiché la luce viaggia molto veloce, ed è a banda larga, il che significa che copre un'ampia parte dello spettro, può essere un metodo molto efficiente di trasferimento dei dati. Ecco come funzionano le connessioni internet in fibra ottica, Per esempio.

Però, per accedere ai dati da un flusso in rapido movimento, dobbiamo rallentarlo. È come un'auto che esce da un'autostrada:deve rallentare quando si avvicina allo svincolo. Questo processo è chiamato buffering.

Attualmente, per rallentare i segnali luminosi, dobbiamo convertirli in impulsi elettrici, e poi riconvertirli alla luce una volta che vi si accede, per recuperare i dati originali. Rallentando la luce stessa, invece di convertirlo, questo processo sarebbe molto più efficiente. Potremmo anche utilizzare la luce in modo molto più ampio per trasmettere dati su un ampio spettro.

Come stai usando la luce lenta e ferma nella tua ricerca?

Un modo in cui la luce lenta è utile è nell'aumentare le interazioni tra luce e materia. Spesso, perché la luce viaggia così veloce, non interagisce molto con la materia. Rallentandolo, possiamo rendere queste interazioni più forti, manipolare la materia in modi nuovi.

Per esempio, l'abbiamo raggiunto di recente in collaborazione con l'Università di Cambridge. Abbiamo tenuto una molecola e un fotone - una particella di luce - in una minuscola trappola, in modo che le loro proprietà si mescolassero.

Il mio team è interessato anche ai laser a luce ferma. I laser sono sorgenti di luce amplificate a particolari lunghezze d'onda, che può essere focalizzato in un raggio e trasmesso su lunghe distanze senza perdere la messa a fuoco, come fa una torcia tradizionale.

I laser vengono creati pompando energia in stati elettronici, per esempio molecole, inducendoli a emettere fotoni quando si rilassano a energie più basse. Questi fotoni vengono poi fatti rimbalzare in uno spazio ristretto, stimolando le molecole più attive a rilasciare fotoni in modo sincrono, fino a creare un raggio ad alta energia.

Fermare la luce consentirebbe interazioni più limitate tra molecole attive e fotoni, potenzialmente permettendo ai laser di essere formati più facilmente e più localmente, senza rimbalzare in uno spazio.

Visto che hai proposto l'idea, le persone hanno suggerito molte applicazioni innovative. Puoi parlarci di alcuni di questi?

Teoricamente, le applicazioni interessanti per noi riguardano lo studio del comportamento quantistico della materia e dei pacchetti di luce ferma o ultralenta.

Un esempio pratico interessante è guidare la luce verso un piccolo punto per creare un riscaldamento molto locale su scala microscopica. Una delle principali applicazioni di questo è il miglioramento dell'archiviazione magnetica, il tipo che esegue il disco rigido del computer.

L'immagazzinamento magnetico richiede la formazione di minuscoli campi magnetici, ma al momento questi campi sono i più piccoli che possono ottenere, limitando quanto piccolo possiamo rendere i dispositivi di archiviazione. Rallentando la luce in un'area estremamente ristretta, possiamo aumentarne l'intensità. Ciò provoca un riscaldamento su scala molto ridotta, creando campi magnetici in miniatura che significano che potremmo aumentare la densità di archiviazione o ridurre le dimensioni dei dispositivi.

Un'altra potenziale applicazione è nell'imaging biomedico. Per immaginare alcuni materiali biologici, l'intensità della luce laser deve essere aumentata, ma questo può distruggere il campione. Rallentando la luce, possiamo permettergli di interagire più a lungo con il campione senza danneggiarlo.

Tuttavia, il concetto di "arcobaleno intrappolato" delle onde rallentate non è stato applicato solo alla luce. Funziona anche per gli elettroni. E un'idea davvero innovativa, effettivamente testato da un team che include ricercatori Imperiali, sta rallentando le onde sismiche. Tagliando strutture in stile metamateriale su larga scala nel terreno, o anche negli alberi, hanno dimostrato che è possibile reindirizzare le onde sismiche nel terreno, proteggere le strutture dai terremoti.