Nel 1884, un maestro di scuola e teologo di nome Edwin Abbott scrisse una novella intitolata Flatland, che racconta la storia di un mondo popolato da forme bidimensionali senzienti. Pur essendo inteso come una satira delle rigide norme sociali vittoriane, Flatland ha a lungo affascinato matematici e fisici ed è servito da scenario per molti esperimenti mentali.

Uno di questi esperimenti mentali:come si può controllare la luce in due dimensioni?

Quando un'onda di luce è confinata su un piano bidimensionale da determinati materiali, diventa qualcosa noto come polaritone, una particella che offusca la distinzione tra luce e materia. I polaritoni hanno implicazioni entusiasmanti per il futuro dei circuiti ottici perché, a differenza dei circuiti integrati elettronici, l'ottica integrata è difficile da miniaturizzare con i materiali di uso comune. I polaritoni consentono alla luce di essere strettamente confinata alla nanoscala, anche potenzialmente allo spessore di pochi atomi.

La sfida è, tutti i modi in cui attualmente abbiamo per controllare la luce:lenti, guide d'onda, prismi:sono tridimensionali.

"La capacità di controllare e confinare la luce con circuiti ottici completamente riprogrammabili è vitale per i futuri dispositivi nanofotonici altamente integrati, " disse Michele Tamagnone, un borsista post-dottorato in Fisica Applicata presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Ora, Tamagnone e un team di ricercatori del SEAS hanno sviluppato componenti ottici riscrivibili per le onde luminose di superficie. La ricerca è stata pubblicata su Comunicazioni sulla natura .

In precedenti ricerche, Il gruppo, guidato da Federico Capasso, il Robert L. Wallace Professore di Fisica Applicata e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Ingegneria Elettrica, ha dimostrato una tecnica per creare e controllare i polaritoni intrappolando la luce in una scaglia di nitruro di boro esagonale. In questo studio, i ricercatori hanno messo quei fiocchi sulla superficie di un materiale noto come GeSbTe (GST), gli stessi materiali utilizzati sulla superficie dei CD riscrivibili e dei dischi Blu-ray.

"La proprietà riscrivibile di GST utilizzando semplici impulsi laser consente la registrazione, cancellazione e riscrittura di bit di informazione. Usando quel principio, abbiamo creato lenti, prismi e guide d'onda scrivendoli direttamente nello strato di materiale, " disse Xinghui Yin, un borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore dello studio.

Le lenti e i prismi su questo materiale non sono oggetti tridimensionali come nel nostro mondo, ma forme piuttosto bidimensionali, come sarebbero in Flatlandia. Invece di avere una lente semisferica, i polaritoni sul materiale Flatland-esc passano attraverso un semicerchio piatto di materiale rifrangente che funge da lente. Invece di viaggiare attraverso un prisma, viaggiano attraverso un triangolo e invece delle fibre ottiche, i polaritoni si muovono lungo una linea semplice, che guida le onde lungo un percorso predefinito.

Utilizzando una tecnica nota come microscopia in campo vicino, che consente l'imaging di caratteristiche molto più piccole della lunghezza d'onda della luce, i ricercatori sono stati in grado di vedere questi componenti all'opera. Hanno anche dimostrato per la prima volta che è possibile cancellare e riscrivere i componenti ottici che hanno creato.

"Questa ricerca potrebbe portare a nuovi chip per applicazioni come il rilevamento chimico di singole molecole, poiché i polaritoni nei nostri dispositivi riscrivibili corrispondono a frequenze nella regione dello spettro in cui le molecole hanno le loro impronte digitali di assorbimento rivelatrici, " disse Capasso.