Schema di un processo di assorbimento della luce virtuale:uno strato di materiale trasparente è esposto a fasci di luce da entrambi i lati, con l'intensità della luce che aumenta nel tempo. Immagine per gentile concessione dei ricercatori. Credito:MIPT
Un gruppo di fisici dalla Russia, La Svezia e gli Stati Uniti hanno dimostrato un effetto ottico molto insolito. Sono riusciti ad assorbire "virtualmente" la luce utilizzando un materiale che non ha capacità di assorbimento della luce. I risultati della ricerca, pubblicato in ottica , aprire nuovi orizzonti per la creazione di elementi di memoria per la luce.
L'assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche, compresa la luce, è uno dei principali effetti dell'elettromagnetismo. Questo processo avviene quando l'energia elettromagnetica viene convertita in calore o un altro tipo di energia all'interno di un materiale assorbente (ad esempio, durante l'eccitazione degli elettroni). Carbone, vernice nera e array di nanotubi di carbonio, noti anche come Vantablack, appaiono neri perché assorbono quasi completamente l'energia della luce incidente. Altri materiali, come vetro o quarzo, non hanno proprietà assorbenti e quindi sembrano trasparenti.
Nella loro ricerca teorica, i cui risultati sono stati pubblicati sulla rivista ottica , i fisici sono riusciti a dissipare quella nozione semplice e intuitiva facendo apparire perfettamente assorbente un materiale completamente trasparente. Per ottenere ciò, i ricercatori hanno impiegato speciali proprietà matematiche della matrice di dispersione, una funzione che mette in relazione un campo elettromagnetico incidente con quello diffuso dal sistema. Quando un raggio di luce di intensità indipendente dal tempo colpisce un oggetto trasparente, la luce non viene assorbita, ma è disperso dal materiale, fenomeno causato dalla proprietà unitaria della matrice di dispersione. Si è scoperto, però, che se l'intensità del fascio incidente viene variata nel tempo in un certo modo, la proprietà unitaria può essere interrotta, almeno temporaneamente. In particolare, se la crescita dell'intensità è esponenziale, l'energia totale della luce incidente si accumulerà nel materiale trasparente senza lasciarlo (fig. 1). Stando così le cose, il sistema apparirà perfettamente assorbente dall'esterno.
Effetto di assorbimento virtuale in un sottile strato di materiale trasparente. La linea tratteggiata indica l'ampiezza di un'onda incidente dipendente dal tempo; la linea continua è l'ampiezza di un segnale diffuso che comprende sia onde incidenti che onde trasmesse. Il segnale diffuso è assente fino a t =0, suggerendo che l'energia dell'onda incidente è perfettamente "bloccata" nello strato. Immagine per gentile concessione dei ricercatori. Credito:MIPT
Per illustrare l'effetto, i ricercatori hanno esaminato un sottile strato di un dielettrico trasparente e hanno calcolato il profilo di intensità richiesto per l'assorbimento della luce incidente. I calcoli hanno confermato che quando l'intensità dell'onda incidente cresce in modo esponenziale (la linea tratteggiata in fig. 2), la luce non viene né trasmessa né riflessa (la curva continua in fig. 2). Questo è, lo strato si presenta perfettamente assorbente nonostante manchi dell'effettiva capacità di assorbimento. Però, quando la crescita esponenziale dell'ampiezza dell'onda incidente si arresta (a t =0), l'energia bloccata nello strato viene rilasciata.
"I nostri risultati teorici sembrano essere piuttosto controintuitivi. Fino a quando non abbiamo iniziato la nostra ricerca, non potevamo nemmeno immaginare che sarebbe stato possibile realizzare un simile trucco con una struttura trasparente, "dice Denis Baranov, uno studente di dottorato al MIPT e uno degli autori dello studio. "Però, è stata la matematica che ci ha portato all'effetto. Chi lo sa, l'elettrodinamica potrebbe benissimo ospitare altri fenomeni affascinanti."
I risultati dello studio non solo ampliano la nostra comprensione generale di come si comporta la luce quando interagisce con i comuni materiali trasparenti, ma hanno anche una vasta gamma di applicazioni pratiche. Per fare un esempio, l'accumulo di luce in un materiale trasparente può aiutare a progettare dispositivi di memoria ottica che memorizzerebbero le informazioni ottiche senza perdite e le rilascerebbero quando necessario.
