La luce è di natura versatile. In altre parole, mostra caratteristiche diverse quando si viaggia attraverso diversi tipi di materiali. Questa proprietà è stata esplorata con varie tecnologie, ma il modo in cui la luce interagisce con i materiali deve essere manipolato per ottenere l'effetto desiderato. Questo viene fatto utilizzando dispositivi speciali chiamati modulatori di luce, che hanno la capacità di modificare le proprietà della luce.

Una tale proprietà, chiamato effetto Pockels, si vede quando un campo elettrico viene applicato al mezzo attraverso il quale viaggia la luce. Normalmente, la luce si piega quando colpisce qualsiasi mezzo, ma sotto l'effetto Pockels, l'indice di rifrazione del mezzo (una misura di quanto la luce si piega) cambia proporzionalmente al campo elettrico applicato. Questo effetto ha applicazioni nell'ingegneria ottica, comunicazione ottica, display e sensori elettrici. Ma, non è chiaro esattamente come questo effetto si verifichi in diversi materiali, rendendo difficile esplorarne appieno le potenzialità.

In uno studio rivoluzionario pubblicato su OSA Continuum , un team di scienziati guidato dal Prof Eiji Tokunaga dell'Università della Scienza di Tokyo ha fatto luce sul meccanismo dell'effetto Pockels in un nuovo tipo di modulatore di luce. Fino a poco tempo fa, questo effetto era stato osservato solo in un tipo speciale di cristallo, che è costoso e quindi difficile da usare. Dodici anni fa, Il professor Tokunaga e il suo team hanno osservato per la prima volta questo effetto nello strato superiore (chiamato anche strato interfacciale) dell'acqua quando è a contatto con un elettrodo. L'effetto non si osserva nella maggior parte dell'acqua.

Sebbene il coefficiente di Pockels (una misura dell'effetto di Pockels) fosse un ordine di grandezza maggiore, era necessario un rivelatore altamente sensibile perché l'effetto veniva generato solo nel sottile strato interfacciale. Inoltre, anche il suo meccanismo non era chiaramente compreso, complicando ulteriormente il processo. Il professor Tokunaga e il suo team volevano trovare una soluzione, e dopo molte prove, alla fine ci sono riusciti. Discutendo la sua motivazione per lo studio, Il professor Tokunaga dice, "È difficile misurare il segnale elettro-ottico utilizzando l'acqua come mezzo perché si trova solo in uno strato sottile. Pertanto, volevamo trovare un modo per estrarre un segnale ampio dal mezzo che non richiedesse misurazioni ad alta sensibilità e fosse più facile da usare."

Per fare questo, gli scienziati hanno creato una configurazione con un elettrodo trasparente su una superficie di vetro in acqua, e ad esso è stato applicato un campo elettrico. Lo strato interfacciale (chiamato anche doppio strato elettrico, o EDL) ha uno spessore di pochi nanometri e presenta proprietà elettrochimiche diverse rispetto al resto dell'acqua. È anche l'unica parte dell'acqua in cui l'effetto Pockels può essere osservato sotto un campo elettrico. Gli scienziati hanno utilizzato il concetto di riflessione totale per creare un ampio angolo all'interfaccia tra l'acqua e l'elettrodo. Hanno osservato che quando la luce viaggia attraverso l'elettrodo ed entra nell'EDL, le variazioni dell'indice di rifrazione di entrambi gli strati possono modificare il segnale riflesso.

Poiché l'indice di rifrazione nell'elettrodo trasparente è maggiore di quello dell'acqua e del vetro (1,33 e 1,52, rispettivamente), la quantità di luce riflessa alle due estremità aumenta, causando così un effetto Pockels più potenziato. Questo era importante perché un grande, segnale più potenziato significherebbe che anche dispositivi a bassa sensibilità potrebbero essere utilizzati per misurarlo. Inoltre, perché il setup sperimentale non è complesso, costituito da un solo elettrodo trasparente immerso in acqua contenente elettroliti, questo metodo è molto più semplice da usare. Per non parlare di, l'acqua è un mezzo poco costoso, con conseguente processo a basso costo complessivo. Elaborando questi risultati, Il professor Tokunaga dice, "Attraverso la nostra tecnica, abbiamo osservato la modulazione della luce con una variazione di intensità massima del 50 percento proporzionale alla tensione CA applicata."

Incoraggiato da queste osservazioni, Il professor Tokunaga e il suo team volevano verificare questi risultati utilizzando calcoli matematici. Furono sorpresi di scoprire che i calcoli teorici corrispondevano ai risultati sperimentali. Inoltre, hanno osservato che teoricamente, si potrebbe ottenere una modulazione dell'intensità della luce del 100%, il che è stato emozionante perché ha confermato le loro scoperte. Il professor Tokunaga dice, "I risultati sono stati sorprendenti, ma è stato ancora più sorprendente quando la nostra analisi teorica ha mostrato che potevano essere perfettamente spiegati dalla conoscenza ottica esistente. I risultati di questa ricerca non hanno solo applicabilità a elementi di modulazione della luce unici e sensori di interfaccia che utilizzano l'acqua, ma il principio di miglioramento scoperto apre la possibilità di utilizzare qualsiasi interfaccia che esiste universalmente."

Questo nuovo metodo di modulazione della luce rappresenta una migliore alternativa a quelli esistenti, soprattutto a causa di vantaggi come il basso costo e il rilevamento più facile. Il professor Tokunaga e il suo team credono che scoprendo nuovi meccanismi di modulazione della luce, il loro studio aprirà le porte a ricerche più avanzate in questo campo. Il professor Tokunaga dice, "La nostra esclusiva tecnologia di modulazione della luce non ha precedenti e ha molte possibili applicazioni perché mostra un modo generale per estrarre un segnale Pockels di grandi dimensioni da un'interfaccia universalmente esistente. Inoltre, speriamo che il nostro studio dia vita ad una nuova area di ricerca in ottica, rivoluzionando così il campo”.