Non c'è niente di nuovo sotto il sole, tranne forse la luce stessa.

Nell'ultima decade, i fisici applicati hanno sviluppato materiali nanostrutturati in grado di produrre stati di luce completamente nuovi con comportamenti strani, come piegarsi a spirale, cavatappi e dividere come una forchetta.

Questi cosiddetti fasci strutturati non solo possono dire molto agli scienziati sulla fisica della luce, hanno una vasta gamma di applicazioni, dall'imaging a super risoluzione alla manipolazione molecolare e alle comunicazioni.

Ora, ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences hanno sviluppato uno strumento per generare nuovi, stati di luce più complessi in un modo completamente diverso.

La ricerca è pubblicata su Scienza .

"Abbiamo sviluppato una metasuperficie che è un nuovo strumento per studiare nuovi aspetti della luce, " disse Federico Capasso, il Robert L. Wallace Professor of Applied Physics e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering presso SEAS e autore senior del documento. "Questo componente ottico rende possibili operazioni molto più complesse e consente ai ricercatori non solo di esplorare nuovi stati di luce ma anche nuove applicazioni per la luce strutturata".

L'Harvard Office of Technology Development ha protetto la proprietà intellettuale relativa a questo progetto e sta esplorando opportunità di commercializzazione.

La nuova metasuperficie collega due aspetti della luce, noto come momento angolare orbitale e polarizzazione circolare (o momento angolare di spin). La polarizzazione è la direzione lungo la quale vibra la luce. In luce polarizzata circolarmente, la vibrazione della luce traccia un cerchio. Pensa al momento angolare orbitale e alla polarizzazione circolare come il moto di un pianeta. La polarizzazione circolare è la direzione in cui un pianeta ruota sul proprio asse mentre il momento orbitale descrive come il pianeta orbita attorno al sole.

Il fatto che la luce possa persino trasportare la quantità di moto orbitale è una scoperta relativamente recente - vecchia di soli 25 anni? - ma è questa proprietà della luce che produce strani nuovi stati, come travi a forma di cavatappi.

La ricerca precedente ha utilizzato la polarizzazione della luce per controllare le dimensioni e la forma di questi fasci esotici, ma la connessione era limitata perché solo alcune polarizzazioni potevano convertirsi in determinati momenti orbitali.

Questa ricerca, però, amplia notevolmente tale connessione.

"Questa metasuperficie fornisce la connessione più generale, attraverso un unico dispositivo, tra il momento orbitale e la polarizzazione della luce che è stato raggiunto finora, " ha detto Robert Devlin, co-primo autore del paper ed ex dottorando nel Capasso Lab.

Il dispositivo può essere progettato in modo che qualsiasi polarizzazione di ingresso della luce possa produrre qualsiasi uscita di momento angolare orbitale, il che significa che qualsiasi polarizzazione può produrre qualsiasi tipo di luce strutturata, da spirali e cavatappi a vortici di qualsiasi dimensione. E, il dispositivo multifunzione può essere programmato in modo che una polarizzazione dia luogo a un vortice e una diversa polarizzazione dia luogo a un vortice completamente diverso.

"Questo è un componente ottico completamente nuovo, " disse Antonio Ambrosio, Principal Scientist presso l'Harvard Center for Nanoscale Systems (CNS) e co-primo autore dell'articolo. "Alcune metasuperfici sono iterazioni o più efficienti, versioni più compatte dei dispositivi ottici esistenti ma, questa conversione arbitraria da spin a orbitale non può essere eseguita con nessun altro dispositivo ottico. Non c'è niente in natura che possa fare questo e produrre questi stati di luce."

Una potenziale applicazione è nel campo della manipolazione molecolare e delle pinzette ottiche, che usano la luce per muovere le molecole. Il momento orbitale della luce è abbastanza forte da far ruotare e muovere particelle microscopiche.

"Puoi immaginare, se illuminiamo il dispositivo con una polarizzazione di luce, creerà una forza di un tipo particolare, — disse Ambrosio. — Allora, se vuoi cambiare la forza, tutto ciò che devi fare è cambiare la polarizzazione della luce in arrivo. La forza è direttamente correlata al design del dispositivo."

Un'altra applicazione è l'imaging ad alta potenza. Il buco nero al centro del vortice, nota come regione di intensità luminosa zero, può immagini caratteristiche più piccole del limite di diffrazione, che di solito è la metà della lunghezza d'onda della luce. Modificando la polarizzazione della luce, la dimensione di questa regione centrale può essere modificata per mettere a fuoco caratteristiche di dimensioni diverse.

Ma questi raggi possono anche far luce su questioni fondamentali della fisica.

"Questi fasci particolari sono prima di tutto di fondamentale interesse scientifico, " disse Noè Rubin, co-primo autore del paper e dottorando al Capasso Lab. "C'è interesse per questi raggi nell'ottica quantistica e nell'informazione quantistica. Dal lato più applicato, questi fasci potrebbero trovare applicazione nella comunicazione ottica nello spazio libero, soprattutto in ambienti di dispersione dove questo è solitamente difficile. Inoltre, è stato recentemente dimostrato che elementi simili possono essere incorporati nei laser, producendo direttamente questi nuovi stati di luce. Questo potrebbe portare a richieste impreviste".