Chiunque abbia mai suonato la batteria, accordato una chitarra, o anche fatto "cantare" un bicchiere di vino facendo girare un dito lungo il bordo conosce la risonanza. Risonatori acustici, come la cavità di un tamburo o un bicchiere di vino mezzo pieno, vibrano naturalmente a determinate frequenze delle onde sonore per produrre toni specifici. Il fenomeno della risonanza può essere applicato anche alle onde luminose, con risonatori ottici che sono componenti chiave di dispositivi come laser e sensori.

Uno studio pubblicato su Natura descrive un nuovo design per risonatori ottici che sono più efficaci nell'intrappolare la luce, un importante passo fondamentale verso la realizzazione di dispositivi ottici più efficienti. Il lavoro è stato condotto da Bo Zhen e Ph.D. studente Jicheng Jin di Penn e ricercatori dell'Università di Pechino e del MIT.

Parte di ciò che rende la luce così difficile da intrappolare in un risonatore è che la luce è fatta di onde ad alta frequenza, il che significa che le loro lunghezze d'onda sono estremamente piccole, milioni di volte più piccole delle onde acustiche che le persone sentono ogni giorno. Per intrappolare a lungo queste piccole onde, i risonatori ottici devono essere non solo incredibilmente piccoli ma anche estremamente precisi. "Il problema è che la fabbricazione non è perfetta, " spiega Zhen. "Naturalmente, il processo di fabbricazione introdurrà rugosità sulla superficie e fluttuazioni al design originale, quindi il dispositivo reale in pratica è sempre irregolare."

La natura "irregolare" e imperfetta dei risonatori ottici è ciò che attualmente limita il fattore di qualità di un dispositivo, o la quantità di tempo in cui il risonatore può intrappolare la luce prima che le onde svaniscano. Dati i limiti nella progettazione di tali dispositivi, i ricercatori hanno cercato di realizzare un risonatore ottico meno soggetto a imperfezioni intrinseche.

Questo lavoro si basava sulla precedente ricerca di Zhen sulla teoria delle cariche topologiche, detti anche stati legati nel continuum. Le cariche topologiche si formano per interferenza, un fenomeno ondulatorio comune che può essere visto quando le onde si scontrano l'una con l'altra e si sommano per formare onde più grandi o si annullano a vicenda. Le cariche topologiche si verificano quando le onde di radiazione in uscita dal dispositivo si annullano a vicenda, consentendo al dispositivo di contenere l'energia della luce più a lungo.

Con intuizioni dalla teoria di Zhen, i ricercatori hanno progettato, simulato, e dispositivi risonatori ottici fabbricati chiamati lastre di cristalli fotonici, che sono modellati con fori di dimensioni nanometriche distanziati uniformemente l'uno dall'altro. Il loro dispositivo era ancora "imperfetto, " con superfici irregolari visibili al microscopio elettronico a scansione, ma la caratteristica topologica unica del progetto ha notevolmente migliorato il fattore di qualità, o la capacità di intrappolare la luce per un periodo di tempo molto più lungo di quanto altrimenti possibile.

Una caratteristica unica del dispositivo è che potrebbe generare nove cariche topologiche uniche. Ogni carica separata quindi si fonde in una, causando una cancellazione ancora più forte delle onde di radiazione, intrappolare la luce all'interno del dispositivo per periodi di tempo più lunghi.

La fusione delle accuse era un fenomeno che era stato previsto in lavori precedenti, spiega Zhen, ma l'ultimo documento del gruppo ha fornito una forte comprensione teorica del suo effetto sui fattori di qualità. "Il fatto che abbiano nove cariche che si fondono nello stesso punto è una caratteristica davvero unica. All'inizio è abbastanza fuorviante; puoi interpretarla in modi diversi, e siamo stati deviati verso altre direzioni. Infine, attraverso molte riflessioni, tutto ha funzionato».

La loro piattaforma innovativa, con un fattore di qualità 10 volte maggiore rispetto ad altri dispositivi che non utilizzano cariche topologiche di unione, può portare a miglioramenti in numerose applicazioni basate sull'ottica. Per di più, i ricercatori hanno già dimostrato l'usabilità del loro approccio su un'applicazione immediata nel mondo reale, poiché lo studio ha esaminato le lunghezze d'onda della luce che sono già utilizzate per le telecomunicazioni.

Grazie alle loro aree di competenza complementari, dalla fabbricazione di dispositivi all'Università di Pechino e dalla fisica teorica alla Penn, gli scienziati sono stati in grado di sviluppare un semplice, soluzione basata sulla fisica a una sfida ingegneristica precedentemente irrisolta.

"Migliora la qualità senza ottimizzare la fabbricazione, "dice Jin, che ha recentemente conseguito un master presso l'Università di Pechino e ora è uno studente laureato nel laboratorio di Zhen. "Non devi fare un lavoro impegnativo per migliorare i metodi di fabbricazione; devi solo scegliere un design intelligente. Non ci sono trucchi complicati, ma puoi vedere davvero un grande miglioramento."