Abbiamo tutti sperimentato aria e acqua turbolente, ma sapevi che anche la luce può essere turbolenta?

Un team internazionale di ricercatori, guidato da Federico Capasso, il Robert L. Wallace Professor of Applied Physics e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), hanno sfruttato la turbolenza della luce per creare un tipo specifico di laser ad alta precisione, noto come pettine a frequenza laser, in un sistema precedentemente ritenuto incapace di produrre un tale laser. La scoperta potrebbe essere utilizzata in una nuova generazione di dispositivi per applicazioni come la spettroscopia ottica e il rilevamento.

La ricerca è pubblicata su Natura .

I pettini di frequenza sono strumenti ampiamente utilizzati per rilevare e misurare diverse frequenze di luce con una precisione unica. A differenza dei laser convenzionali, che emettono una sola frequenza, questi laser emettono frequenze multiple in sincronia, equidistanti per assomigliare ai denti di un pettine. Oggi, sono utilizzati in tutto, dal monitoraggio ambientale e rilevamento chimico alla ricerca di esopianeti, comunicazioni ottiche e metrologia e tempistica ad alta precisione.

Capasso e il suo team di SEAS hanno lavorato per rendere questi dispositivi più efficienti e compatti per applicazioni quali telecomunicazioni e rilevamento portatile.

Nel 2019, Capasso e il suo team hanno scoperto come trasmettere segnali wireless da pettini a frequenza laser, creando il primo trasmettitore radio laser. I ricercatori hanno utilizzato laser a cascata quantica semiconduttori a forma di barre Kit Kat molto piccole, che ha generato pettini di frequenza facendo rimbalzare la luce da un'estremità all'altra. Questa luce che rimbalza ha creato onde contropropaganti che interagiscono tra loro per generare le diverse frequenze del pettine. Però, questi dispositivi emettevano ancora molta luce che era inutilizzata nelle applicazioni di radiocomunicazione.

"Entrando in questa ricerca, la nostra domanda principale era come possiamo creare una geometria migliore per le radio laser, " disse Marco Piccardo, un ex borsista post-dottorato presso SEAS e primo autore del documento.

Piccardo è attualmente ricercatore presso l'Istituto Italiano di Tecnologia di Milano.

I ricercatori si sono rivolti ai laser a cascata quantica ad anello, quale, grazie alla loro forma circolare, può generare un laser con perdite ottiche molto basse. Però, i laser ad anello hanno un problema fondamentale quando si tratta di generare pettini di frequenza:i fasci di luce che viaggiano in un cerchio perfetto si propagano solo in una direzione, in senso orario o antiorario, e quindi non può generare le onde di contropropagazione necessarie per formare un pettine. Per superare questo problema, i ricercatori hanno introdotto piccoli difetti negli anelli e hanno confrontato i risultati con un gruppo di anelli privi di difetti.

Ma quando i ricercatori hanno condotto l'esperimento, i risultati hanno colto tutti di sorpresa.

Gli anelli perfetti, che le teorie fisiche precedenti dicevano non potevano generare un pettine di frequenza, pettini di frequenza generati.

"Quando l'abbiamo visto, abbiamo pensato che fosse fantastico per noi, perché questo è esattamente il tipo di luce che stiamo cercando, solo che non ci aspettavamo di trovarlo in questo particolare esperimento. Il successo sembrava contraddire l'attuale teoria del laser, " ha detto Benedikt Schwarz, ricercatore presso TU Wien a Vienna e coautore dello studio.

I ricercatori hanno cercato di spiegare come potrebbe verificarsi un tale fenomeno, e alla fine si è imbattuto in turbolenza. Nei fluidi, la turbolenza si verifica quando un flusso di fluido ordinato si rompe in vortici sempre più piccoli che interagiscono tra loro fino a quando il sistema alla fine irrompe nel caos. Alla luce, questo assume la forma di instabilità delle onde, in cui un piccolo disturbo diventa sempre più grande e alla fine domina la dinamica del sistema.

I ricercatori hanno scoperto che piccole fluttuazioni nella corrente utilizzata per pompare il laser causavano piccole instabilità nelle onde luminose, anche in un perfetto laser ad anello. Quelle instabilità sono cresciute e hanno interagito tra loro, proprio come in un fluido turbolento. Queste interazioni hanno quindi causato il verificarsi di un pettine di frequenza stabile.

"Non abbiamo solo cambiato la geometria dei pettini di frequenza laser, abbiamo scoperto un sistema completamente nuovo in cui creare questi dispositivi, e così facendo, riformulare una legge fondamentale dei laser, " disse Piccardo.

Nel futuro, questi dispositivi possono essere utilizzati come microrisonatori a pompaggio elettrico su circuiti fotonici integrati. I microrisonatori odierni su scala di chip sono passivi, significa che l'energia deve essere pompata otticamente dall'esterno, aumentando le dimensioni e la complessità del sistema. Ma il pettine di frequenza laser ad anello è attivo, il che significa che può generare la propria luce semplicemente iniettandogli corrente elettrica. Fornisce inoltre l'accesso alle regioni dello spettro elettromagnetico che non sono coperte dai microrisonatori. Questo potrebbe essere utile in una vasta gamma di applicazioni, come la spettroscopia ottica e il rilevamento chimico.

"Questo è un primo passo molto importante nel collegamento di microrisonatori passivi con pettini di frequenza attivi, " ha detto Capasso. "Combinare i vantaggi di questi due dispositivi potrebbe avere importanti implicazioni fondamentali e tecnologiche".