In molte situazioni, è giusto dire che la luce viaggia in linea retta senza che succeda molto lungo la strada. Ma la luce può anche nascondere schemi e comportamenti complessi che solo un attento osservatore può svelare.

Questo è possibile perché la luce si comporta come un'onda, con proprietà che giocano un ruolo in diversi fenomeni interessanti. Una di queste proprietà è la fase, che misura dove sei su un'onda ondulata, se ti siedi su un picco, un trogolo o una via di mezzo. Quando due onde luminose (altrimenti identiche) si incontrano e sono fuori fase, possono interferire tra loro, combinando per creare modelli intricati. La fase è parte integrante del modo in cui le onde luminose interagiscono tra loro e del modo in cui l'energia scorre in un raggio o impulso di luce.

Ricercatori dell'Università del Maryland, guidato dal professore di fisica UMD Howard Milchberg, hanno scoperto nuovi modi in cui la fase della luce può formare vortici ottici, modelli noti come vortici ottici spaziotemporali (STOV). In un articolo pubblicato sulla rivista ottica il 18 dicembre 2019, i ricercatori hanno catturato la prima vista in questi vortici di fase situati nello spazio e nel tempo, sviluppo di un nuovo metodo per osservare impulsi di luce ultraveloci.

Ogni STOV è un impulso di luce con un particolare schema di intensità, una misura di dove l'energia è concentrata, e fase. Nelle STOV preparate da Milchberg e dai suoi collaboratori, l'intensità forma un anello nello spazio e nel tempo che i ricercatori descrivono come una ciambella volante in prima linea:se potessi vedere il polso volare verso di te, vedresti solo il bordo della ciambella e non il buco. (Vedi l'immagine più a sinistra sotto, dove i tempi negativi sono precedenti.) Nella stessa regione di spazio e tempo, la fase dell'impulso luminoso forma uno schema vorticoso, creando un vortice centrato sul foro della ciambella (immagine più a destra).

Milchberg e colleghi hanno scoperto gli STOV nel 2016 quando hanno trovato strutture simili ad "anelli di fumo ottici" che si formano attorno a intensi raggi laser. Questi anelli hanno una fase che varia intorno al loro bordo, come le correnti d'aria che vorticano intorno a un anello di fumo. I vortici realizzati nel nuovo studio sono una struttura simile ma più semplice:se si pensa all'anello di fumo originale come a un braccialetto fatto di perline, i nuovi STOV sono come le singole perline.

Il lavoro precedente ha mostrato che gli STOV forniscono un quadro elegante per comprendere un noto effetto laser ad alta intensità:l'autoguida. Ad alta intensità, questo effetto si verifica quando un impulso laser, interagendo con il mezzo che sta attraversando, si comprime in un raggio stretto. I ricercatori hanno dimostrato che in questo processo, Gli STOV sono responsabili della direzione del flusso di energia e del rimodellamento del laser, spingendo l'energia insieme nella sua parte anteriore e separandola nella sua parte posteriore.

Quella scoperta iniziale ha osservato come questi anelli si sono formati attorno a un raggio di luce in due dimensioni. Ma i ricercatori non hanno potuto esplorare il funzionamento interno dei vortici perché ogni impulso è troppo breve e veloce per essere catturato dalle tecniche precedentemente stabilite. Ogni impulso passa in pochi femtosecondi, circa 100 trilioni di volte più velocemente di un battito di ciglia.

"Questi non sono impulsi di microsecondi o nanosecondi che usi solo l'elettronica per catturare, "dice Sina Zahedpour, un co-autore del documento e associato post-dottorato in fisica UMD. "Si tratta di impulsi estremamente brevi per cui è necessario utilizzare trucchi ottici per l'immagine".

Per catturare sia l'intensità che la fase dei nuovi STOV, i ricercatori avevano bisogno di preparare tre ulteriori impulsi. Il primo impulso ha incontrato lo STOV all'interno di una sottile finestra di vetro, producendo uno schema di interferenza codificato con l'intensità e la fase STOV. Quel modello è stato letto usando due impulsi più lunghi, producendo dati come quello mostrato nell'immagine sopra.

"Gli strumenti che avevamo precedentemente guardato solo all'ampiezza della luce, "dice Scott Hancock, uno studente laureato in fisica UMD e primo autore dell'articolo. "Ora, possiamo ottenere il quadro completo con la fase, e questa è la prova che il principio funziona per studiare i fenomeni ultraveloci."

Gli STOV possono avere una resilienza utile per applicazioni pratiche perché la loro torsione, la fase a vite li rende robusti contro i piccoli ostacoli. Per esempio, mentre uno STOV viaggia nell'aria, parti del polso potrebbero essere bloccate da gocce d'acqua e altre piccole particelle. Ma mentre continuano, gli STOV tendono a riempire le piccole sezioni che sono state eliminate, riparare danni minori in un modo che potrebbe aiutare a preservare tutte le informazioni registrate nel polso. Anche, perché un impulso STOV è così breve e veloce, è indifferente alle normali fluttuazioni dell'aria che sono relativamente lente.

"La generazione controllata di vortici ottici spaziotemporali può portare ad applicazioni come la propagazione resiliente di informazioni o potenza del raggio attraverso turbolenze o nebbia, " afferma Milchberg. "Questi sono importanti per applicazioni come le comunicazioni ottiche nello spazio libero che utilizzano i laser o per fornire energia dalle stazioni di terra ai veicoli aerei".