Puntando un laser lungo il guscio interno di una lampadina a incandescenza, i fisici hanno eseguito la prima dimostrazione sperimentale di un raggio di luce in accelerazione nello spazio curvo. Piuttosto che spostarsi lungo una traiettoria geodetica (il percorso più breve su una superficie curva), il raggio in accelerazione si allontana dalla traiettoria geodetica a causa della sua accelerazione.

In precedenza, raggi di luce in accelerazione sono stati dimostrati su superfici piane, su cui la loro accelerazione fa sì che seguano traiettorie curve piuttosto che linee rette. L'estensione dei raggi acceleranti alle superfici curve apre le porte a ulteriori possibilità, come emulare fenomeni di relatività generale (ad esempio, lenti gravitazionali) con dispositivi ottici in laboratorio.

I fisici, Anatoly Patsyk, Miguel A. Bandres, e Mordechai Segev al Technion – Israel Institute of Technology, insieme a Rivka Bekenstein dell'Università di Harvard e dell'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, hanno pubblicato un articolo sui fasci di luce in accelerazione nello spazio curvo in un recente numero di Revisione fisica X .

"Questo lavoro apre le porte a una nuova via di studio nel campo delle travi acceleranti, "Patsyk ha detto Phys.org . "Finora, i fasci acceleranti sono stati studiati solo in un mezzo a geometria piatta, come lo spazio libero piatto o le guide d'onda della lastra. Nel lavoro attuale, i fasci ottici seguono traiettorie curve in un mezzo curvo."

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno prima trasformato un normale raggio laser in uno in accelerazione riflettendo il raggio laser su un modulatore di luce spaziale. Come spiegano gli scienziati, questo imprime un fronte d'onda specifico sul raggio. Il raggio risultante è sia accelerante che conservativo, il che significa che non si diffonde mentre si propaga in un mezzo curvo, come farebbero i normali raggi di luce. Il raggio di luce in accelerazione viene quindi lanciato nel guscio di una lampadina a incandescenza, che è stato dipinto per diffondere la luce e rendere visibile la propagazione del raggio.

Quando ci si sposta lungo l'interno della lampadina, il raggio in accelerazione segue una traiettoria che devia dalla linea geodetica. Per confronto, i ricercatori hanno anche lanciato un raggio non accelerante all'interno del guscio della lampadina, e osservò che quel raggio segue la linea geodetica. Misurando la differenza tra queste due traiettorie, i ricercatori potrebbero determinare l'accelerazione del raggio in accelerazione.

Considerando che la traiettoria di un raggio in accelerazione su una superficie piana è determinata interamente dalla larghezza del raggio, il nuovo studio mostra che la traiettoria di un raggio in accelerazione su una superficie sferica è determinata sia dall'ampiezza del raggio che dalla curvatura della superficie. Di conseguenza, un raggio in accelerazione può cambiare la sua traiettoria, oltre a mettere a fuoco e sfocare periodicamente, a causa della curvatura.

La capacità di accelerare i fasci di luce lungo le superfici curve ha una varietà di potenziali applicazioni, uno dei quali è emulare i fenomeni della relatività generale.

"Le equazioni della relatività generale di Einstein determinano, tra le altre questioni, l'evoluzione delle onde elettromagnetiche nello spazio curvo, " Patsyk ha detto. "Si scopre che l'evoluzione delle onde elettromagnetiche nello spazio curvo secondo le equazioni di Einstein è equivalente alla propagazione delle onde elettromagnetiche in un mezzo materiale descritto dalle suscettibilità elettrica e magnetica che possono variare nello spazio. Questo è il fondamento dell'emulazione di numerosi fenomeni noti dalla relatività generale dalle onde elettromagnetiche che si propagano in un mezzo materiale, dando origine agli effetti di emulazione come la lente gravitazionale e gli anelli di Einstein, spostamento gravitazionale verso il blu o verso il rosso, che abbiamo studiato in passato, e altro ancora."

I risultati potrebbero anche offrire una nuova tecnica per il controllo delle nanoparticelle nei vasi sanguigni, microcanali, e altre impostazioni curve. I raggi plasmonici acceleranti (che sono fatti di oscillazioni di plasma invece che di luce) potrebbero essere usati per trasferire energia da un'area all'altra su una superficie curva. I ricercatori hanno in programma di esplorare ulteriormente queste possibilità e altre in futuro.

"Stiamo ora studiando la propagazione della luce all'interno delle membrane curve più sottili possibili:bolle di sapone di spessore molecolare, " ha detto Patsyk. "Stiamo anche studiando fenomeni ondulatori lineari e non lineari, dove il raggio laser influenza lo spessore della membrana e in cambio la membrana influenza il raggio di luce che si propaga al suo interno."

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