Usando le onde luminose invece della corrente elettrica per trasmettere i dati, i chip fotonici, i circuiti per la luce, hanno portato avanti la ricerca fondamentale in molte aree, dal cronometraggio alle telecomunicazioni. Ma per molte applicazioni, gli stretti fasci di luce che attraversano questi circuiti devono essere notevolmente allargati per potersi collegare con quelli più grandi, sistemi off-chip. Fasci di luce più ampi potrebbero aumentare la velocità e la sensibilità dell'imaging medico e delle procedure diagnostiche, sistemi di sicurezza che rilevano tracce di sostanze chimiche tossiche o volatili e dispositivi che dipendono dall'analisi di grandi gruppi di atomi.

Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno ora sviluppato un convertitore altamente efficiente che allarga di 400 volte il diametro di un raggio di luce. Il fisico del NIST Vladimir Aksyuk e i suoi colleghi, tra cui ricercatori dell'Università del Maryland NanoCenter a College Park, Maryland, e la Texas Tech University di Lubbock, descritto il loro lavoro nel giornale Luce:scienza e applicazioni .

Il convertitore allarga la sezione trasversale, o area del raggio, in due fasi consecutive. Inizialmente, la luce viaggia lungo una guida d'onda ottica —un sottile, canale trasparente le cui proprietà ottiche limitano il diametro del fascio a poche centinaia di nanometri, meno di un millesimo del diametro medio di un capello umano. Poiché il canale della guida d'onda è così stretto, parte della luce viaggiante si estende verso l'esterno oltre i bordi della guida d'onda. Approfittando di questo ampliamento, il team ha posizionato una lastra rettangolare composta dallo stesso materiale della guida d'onda un minuscolo, distanza misurata con precisione dalla guida d'onda. La luce può saltare attraverso il minuscolo spazio tra i due componenti e filtrare gradualmente nella lastra.

La lastra mantiene la larghezza ridotta della luce nella dimensione verticale (dall'alto verso il basso), ma non fornisce tali vincoli per il laterale, o di lato, dimensione. Man mano che la distanza tra la guida d'onda e la lastra viene modificata gradualmente, la luce nella lastra forma un raggio diretto con precisione 400 volte più largo del diametro di circa 300 nm del raggio originale.

Nella seconda fase di espansione, che allarga la dimensione verticale della luce, il raggio che attraversa la soletta incontra un reticolo di diffrazione. Questo dispositivo ottico ha righe o righe periodiche, ognuno dei quali diffonde luce. Il team ha progettato la profondità e la spaziatura delle righe per variare in modo che le onde luminose si combinino, formando un unico ampio raggio diretto quasi ad angolo retto rispetto alla superficie del chip.

È importante sottolineare che la luce rimane collimata, o precisamente paralleli, durante il processo di espansione in due fasi, in modo che rimanga sul bersaglio e non si allarghi. L'area del fascio collimato è ora abbastanza grande da percorrere la lunga distanza necessaria per sondare le proprietà ottiche di grandi raggruppamenti diffusi di atomi.

Lavorando con un team guidato da John Kitching del NIST a Boulder, Colorado, i ricercatori hanno già utilizzato il convertitore a due stadi per analizzare con successo le proprietà di circa 100 milioni di atomi di rubidio gassoso mentre passavano da un livello di energia all'altro. Questa è un'importante prova di concetto perché i dispositivi basati sulle interazioni tra luce e gas atomici possono misurare quantità come il tempo, lunghezza e campi magnetici e hanno applicazioni nella navigazione, comunicazione e medicina.

"Gli atomi si muovono molto velocemente, e se il raggio che li monitora è troppo piccolo, entrano ed escono dal raggio così velocemente che diventa difficile misurarli, " disse Kitching. "Con grandi raggi laser, gli atomi rimangono nel raggio più a lungo e consentono una misurazione più precisa delle proprietà atomiche, " ha aggiunto. Tali misurazioni potrebbero portare a migliori standard di lunghezza d'onda e tempo.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.