I ricercatori hanno dimostrato il primo laser metasuperficiale al mondo che produce "luce super-chirale":luce con momento angolare ultra elevato. La luce di questo laser può essere utilizzata come un tipo di "chiave ottica" per o per la codifica di informazioni nelle comunicazioni ottiche.

"Poiché la luce può trasportare il momento angolare, significa che questo può essere trasferito alla materia. Il momento più angolare trasportato dalla luce, più può trasferire. Quindi puoi pensare alla luce come una "chiave ottica", " Professor Andrew Forbes della School of Physics dell'Università del Witwatersrand (Wits) a Johannesburg, Sud Africa, che ha condotto la ricerca. "Invece di usare una chiave fisica per torcere le cose (come avvitare i dadi), ora puoi illuminare il dado e si stringerà da solo."

Il nuovo laser produce una nuova "luce contorta" di elevata purezza mai osservata prima dai laser, compreso il momento angolare più elevato riportato da un laser. Contemporaneamente i ricercatori hanno sviluppato una metasuperficie nanostrutturata che ha il più grande gradiente di fase mai prodotto e consente un funzionamento ad alta potenza in un design compatto. L'implicazione è un primo laser al mondo per la produzione di stati esotici di luce strutturata contorta, su richiesta.

Fotonica della natura ha pubblicato oggi online la ricerca che è stata fatta come collaborazione tra Wits e il Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) in Sud Africa, Università di Harvard (Stati Uniti), l'Università Nazionale di Singapore (Singapore), Vrije Universiteit Brussel (Belgio) e CNST—Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia Via Giovanni Pascoli (Italia).

Nel loro articolo intitolato:Stati del momento angolare orbitale di elevata purezza da un laser visibile della metasuperficie, i ricercatori dimostrano un nuovo laser per produrre qualsiasi stato di luce chirale desiderato, con il pieno controllo su entrambe le componenti del momento angolare (AM) della luce, lo spin (polarizzazione) e il momento angolare orbitale (OAM) della luce.

Il design del laser è reso possibile dal controllo completo offerto da una nuova metasuperficie di dimensioni nanometriche (1000 volte più piccola della larghezza di un capello umano), progettata dal gruppo di Harvard, all'interno del laser. La metasuperficie è costituita da tanti minuscoli bastoncini di nanomateriale, che altera la luce al suo passaggio. La luce attraversa molte volte la metasuperficie, ricevendo una nuova svolta ogni volta che lo fa.

"Ciò che lo rende speciale è che alla luce, il materiale ha proprietà impossibili da trovare in Natura, e così è chiamato un "metamateriale", un materiale fittizio. Poiché le strutture erano così piccole che appaiono solo in superficie per formare una metasuperficie".

Il risultato è la generazione di nuove forme di luce chirale finora non osservate dai laser, e controllo completo della chiralità della luce alla sorgente, chiusura di una sfida aperta.

"C'è una forte spinta al momento a cercare di controllare la materia chirale con la luce distorta, e perché questo funzioni ci vuole luce con un twist molto alto:luce super-chirale, " dice Forbes. Varie industrie e campi di ricerca richiedono la luce superchirale per migliorare i loro processi, compreso il cibo, industrie informatiche e biomediche.

"Possiamo usare questo tipo di luce per guidare otticamente gli ingranaggi dove i sistemi meccanici fisici non funzionerebbero, come nei sistemi microfluidici per guidare il flusso, " dice Forbes. "Usando questo esempio, l'obiettivo è eseguire la medicina su un chip piuttosto che in un grande laboratorio, ed è popolarmente chiamato Lab-on-a-Chip. Perché tutto è piccolo, la luce è usata per il controllo:per spostare le cose e ordinare le cose, come le cellule buone e quelle cattive. La luce contorta viene utilizzata per guidare i micro-ingranaggi per far funzionare il flusso, e per imitare le centrifughe con la luce."

La sfida chirale

"Chiralità" è un termine spesso usato in chimica per descrivere i composti che si trovano come immagini speculari l'uno dell'altro. Questi composti hanno una "mano" e possono essere pensati come mancini o destrimani. Per esempio, i gusti di limone e arancia sono lo stesso composto chimico, ma differiscono solo nella loro "mano".

Anche la luce è chirale ma ha due forme:lo spin (polarizzazione) e l'OAM. Lo spin AM è simile ai pianeti che ruotano attorno al proprio asse, mentre OAM è simile ai pianeti in orbita attorno al Sole.

"Controllare la chiralità della luce alla sorgente è un compito impegnativo e di grande attualità a causa delle numerose applicazioni che lo richiedono, dal controllo ottico della materia chirale, alla metrologia, alle comunicazioni, "dice Forbes. "Il controllo chirale completo implica il controllo dell'intero momento angolare della luce, polarizzazione e OAM."

A causa delle limitazioni progettuali e degli impedimenti realizzativi, fino ad oggi è stato prodotto solo un piccolissimo sottoinsieme di stati chirali. Sono stati ideati schemi ingegnosi per controllare l'elicità (la combinazione di spin e movimento lineare) dei fasci OAM, ma anch'essi rimangono limitati a questo insieme simmetrico di modi. Non è stato possibile annotare uno stato di luce chirale desiderato e farlo produrre da un laser, fino ad ora.

Laser metasuperficiale

Il laser ha utilizzato una metasuperficie per infondere alla luce un momento angolare ultra elevato, dandogli una "torsione" senza precedenti nella sua fase controllando anche la polarizzazione. Con il controllo arbitrario del momento angolare, la simmetria spin-orbita standard potrebbe essere rotta, per il primo laser a produrre il pieno controllo del momento angolare della luce alla sorgente.

La metasuperficie è stata costruita da nanostrutture accuratamente realizzate per produrre l'effetto desiderato, ed è la struttura OAM più estrema finora fabbricata, con il gradiente di fase più alto finora riportato. La risoluzione nanometrica della metasuperficie ha reso possibile un vortice di alta qualità con basse perdite e un'elevata soglia di danno, rendendo possibile il laser.

Il risultato è stato un laser che poteva laserare su stati OAM di 10 e 100 simultaneamente per l'AM più alto riportato da un laser fino ad oggi. Nel caso particolare in cui la metasuperficie è impostata per produrre stati simmetrici, il laser quindi produce tutti gli stati OAM precedenti riportati dai laser a luce strutturata personalizzati.

Andando avanti

"Ciò che troviamo particolarmente interessante è che il nostro approccio si presta a molte architetture laser. Ad esempio, potremmo aumentare il volume di guadagno e le dimensioni della metasuperficie per produrre un laser di massa ad alta potenza, o potremmo ridurre il sistema su un chip utilizzando un design metasuperficiale monolitico, "dice Forbes.

"In entrambi i casi la modalità laser sarebbe controllata dalla polarizzazione della pompa, non richiedendo elementi intracavità diversi dalla metasuperficie stessa. Il nostro lavoro rappresenta un passo importante verso la fusione della ricerca sui laser bulk con quella dei dispositivi on-chip."