Un team di ricercatori del Technion – Israel Institute of Technology ha osservato per la prima volta un flusso di luce ramificato. I risultati sono pubblicati in Natura e sono presenti sulla copertina del 2 luglio, edizione 2020.

Lo studio è stato condotto dal Ph.D. studente Anatoly (Tolik) Patsyk, in collaborazione con Miguel A. Bandres, che era un borsista post-dottorato al Technion quando è iniziato il progetto ed è ora Assistant Professor presso CREOL, Collegio di Ottica e Fotonica, Università della Florida centrale. La ricerca è stata guidata dal presidente del Technion, il professor Uri Sivan e dal distinto professor Mordechai (Moti) Segev delle facoltà di fisica e ingegneria elettrica del Technion, l'Istituto di Stato Solido, e il Russell Berrie Nanotechnology Institute.

Quando le onde viaggiano attraverso paesaggi che contengono perturbazioni, si disperdono naturalmente, spesso in tutte le direzioni. La dispersione della luce è un fenomeno naturale, trovato in molti luoghi della natura. Per esempio, la dispersione della luce è la ragione del colore blu del cielo. Come risulta, quando la lunghezza su cui variano i disturbi è molto maggiore della lunghezza d'onda, l'onda si disperde in modo insolito:forma canali (rami) di maggiore intensità che continuano a dividersi, o ramificarsi, mentre l'onda si propaga. Questo fenomeno è noto come flusso ramificato. È stato osservato per la prima volta nel 2001 con elettroni, ed era stato suggerito di essere onnipresente e si verificano anche per tutte le onde in natura, per esempio le onde sonore e persino le onde dell'oceano. Ora, I ricercatori del Technion stanno portando il flusso ramificato nel dominio della luce:hanno effettuato un'osservazione sperimentale del flusso ramificato della luce.

"Abbiamo sempre avuto l'intenzione di trovare qualcosa di nuovo, ed eravamo ansiosi di trovarlo. Non era quello che abbiamo iniziato a cercare, ma abbiamo continuato a cercare e abbiamo trovato qualcosa di molto meglio, " ha detto Asst. Prof. Miguel Bandres. "Sappiamo che le onde si diffondono quando si propagano in un mezzo omogeneo. Ma per altri tipi di medium, le onde possono comportarsi in modi molto diversi. Quando abbiamo un mezzo disordinato in cui le variazioni sono lisce, come un paesaggio di monti e valli, le onde si propagheranno in un modo particolare. Formeranno canali che continuano a dividersi mentre l'onda si propaga, formando un bellissimo disegno che ricorda i rami di un albero."

Nella loro ricerca, il team ha accoppiato un raggio laser a una membrana di sapone, che contiene variazioni casuali nello spessore della membrana. Hanno scoperto che quando la luce si propaga all'interno della pellicola di sapone, invece di essere disperso, la luce forma rami allungati, creando il fenomeno del flusso ramificato per la luce.

"Nell'ottica di solito lavoriamo duramente per far sì che la luce rimanga focalizzata e si propaghi come un raggio collimato, ma qui la sorpresa è che la struttura casuale della pellicola di sapone ha fatto sì che la luce rimanesse naturalmente focalizzata. È un'altra delle sorprese della natura, ", ha detto Tolik Patsyk.

La capacità di creare flussi ramificati nel campo dell'ottica offre nuove ed entusiasmanti opportunità per studiare e comprendere questo fenomeno ondulatorio universale.

"Non c'è niente di più eccitante che scoprire qualcosa di nuovo e questa è la prima dimostrazione di questo fenomeno con le onde luminose, " ha affermato il presidente del Technion, il prof. Uri Sivan, il Presidente della Facoltà di Fisica Bertoldo Badler. "Questo dimostra che fenomeni intriganti possono essere osservati anche in sistemi semplici e basta essere abbastanza percettivi da scoprirli. Come tale, riunire e combinare le opinioni di ricercatori di diversa estrazione e disciplina ha portato ad alcune intuizioni davvero interessanti".

Ha aggiunto, "Il fatto che lo osserviamo con le onde luminose apre notevoli nuove possibilità di ricerca, a cominciare dal fatto che possiamo caratterizzare il mezzo in cui la luce si propaga con altissima precisione e dal fatto che possiamo anche seguire con precisione quei rami e studiarne le proprietà."

Illustre Prof. Moti Segev, il Robert J. Shillman Distinguished Professor di Fisica e Ingegneria Elettrica, guarda al futuro. "Educo sempre il mio team a pensare oltre l'orizzonte, " Egli ha detto, "pensare a qualcosa di nuovo, e allo stesso tempo - guardare i fatti sperimentali così come sono, piuttosto che cercare di adattare gli esperimenti per soddisfare alcuni comportamenti previsti. Qui, Tolik stava cercando di misurare qualcosa di completamente diverso, e fu sorpreso di vedere questi rami leggeri che inizialmente non riusciva a spiegare. Ha chiesto a Miguel di unirsi agli esperimenti, e insieme hanno migliorato considerevolmente gli esperimenti, al livello che potevano isolare la fisica coinvolta. È stato allora che abbiamo iniziato a capire ciò che vediamo. Ci è voluto più di un anno prima che abbiamo capito che quello che abbiamo è lo strano fenomeno del "flusso ramificato, " che all'epoca non fu mai considerato nel contesto delle onde luminose. Ora, con questa osservazione possiamo pensare a una pletora di nuove idee. Per esempio, usando questi rami leggeri per controllare il flusso fluidico nel liquido, oppure combinare il sapone con materiale fluorescente e far diventare i rami dei piccoli laser. O per usare le membrane di sapone come piattaforma per esplorare i fondamenti delle onde, come le transizioni dallo scattering ordinario che è sempre diffusivo, al flusso ramificato, e successivamente alla localizzazione di Anderson. Ci sono molti modi per continuare questo studio pionieristico. Come abbiamo fatto molte volte in passato, vorremmo andare coraggiosamente dove nessuno è mai arrivato prima".

Il progetto sta ora proseguendo nei laboratori dei Proff. Segev e Sivan al Technion, e in parallelo nel laboratorio di nuova costituzione del Prof. Miguel Bandres all'UCF.