Esistono molti tipi di luce, alcuni visibili e altri invisibili all'occhio umano. Per esempio, i nostri occhi e il nostro cervello non hanno gli strumenti per elaborare la luce ultravioletta quando colpisce i nostri occhi, rendendolo invisibile. Ma c'è un altro tipo di luce che è invisibile semplicemente perché non raggiunge mai i nostri occhi. Quando la luce colpisce determinate superfici, parte di esso si attacca e rimane indietro invece di essere trasmessa o dispersa. Questo tipo di luce è chiamato luce di campo vicino.

Oggi, la luce in campo vicino viene utilizzata principalmente per la microscopia ad altissima risoluzione, noti come microscopi ottici a scansione in campo vicino (NSOM). Però, la luce del campo vicino ha anche un potenziale non sfruttato per la manipolazione delle particelle, rilevamento, e comunicazioni ottiche. Ma poiché la luce del campo vicino non raggiunge i nostri occhi come fa la luce del campo lontano, i ricercatori non hanno sviluppato un toolkit completo per sfruttare e manipolare il campo vicino.

"Oggi, abbiamo molti strumenti e tecniche per progettare l'aspetto della luce in campo lontano, " ha detto Vincenzo Ginis, un visiting professor presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "Abbiamo lenti, telescopi, prismi e ologrammi. Tutte queste cose ci permettono di scolpire liberamente propagando la luce nello spazio."

Ginis è anche professore all'Università Vrije di Bruxelles.

Ora, I ricercatori SEAS hanno sviluppato un sistema per modellare la luce del campo vicino, aprendo la porta a un controllo senza precedenti su questo potente, tipo di luce in gran parte inesplorato. La ricerca è pubblicata su Scienza .

"Negli anni, il nostro gruppo ha sviluppato nuove potenti tecniche per strutturare la propagazione della luce utilizzando metasuperfici con pattern di lunghezze d'onda inferiori, " disse Federico Capasso, il Robert Wallace Professor of Applied Physics e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Ingegneria Elettrica, e autore senior del documento. "Con questo lavoro, mostriamo come strutturare il campo vicino a distanza, aprendo opportunità entusiasmanti nel campo della scienza e della tecnologia."

Per manipolare la luce del campo vicino, i ricercatori hanno sviluppato un dispositivo in cui la luce confinata in una guida d'onda rimbalza avanti e indietro tra due riflettori. Dopo ogni rimbalzo cambia modalità, il che significa che si propaga con un modello spaziale diverso. Con più rimbalzi, questi pattern si sommano per generare un complesso profilo di intensità della luce lungo la guida d'onda. Anche la luce del campo vicino vicino alla superficie della guida d'onda cambia. Quando tutti i diversi modelli della luce del campo vicino sono sovrapposti l'uno all'altro, viene creata una forma specifica. I ricercatori possono pre-programmare quella forma adattando l'ampiezza delle modalità della luce che rimbalza.

"La coesistenza di tutte queste modalità può essere progettata per creare paesaggi di campo vicino a piacimento sulla superficie del dispositivo, " disse Marco Piccardo, un ricercatore associato presso SEAS e coautore del documento. "La forma del paesaggio è determinata dalle proprietà combinate della luce a cascata".

"È un po' come la musica, " disse Ginis. "La musica che stai ascoltando è la sovrapposizione di molte note o modi assemblati in schemi concepiti dal compositore. Una nota da sola non è molto, ma presi insieme puoi generare qualsiasi tipo di musica. Mentre la musica opera a tempo, il nostro generatore di campo vicino opera nello spazio tridimensionale e l'aspetto più intrigante del nostro dispositivo è che una nota genera l'altra".

È importante sottolineare che questo processo di stampaggio avviene a distanza, il che significa che nessuna parte del dispositivo interagisce direttamente con la luce del campo vicino. Questo riduce le interferenze, che è importante per applicazioni come la manipolazione delle particelle, ed è un importante allontanamento dagli attuali metodi locali di scolpire vicino a campi come la luce splendente su punte metalliche e nanoparticelle.

Per dimostrare il loro design, i ricercatori hanno modellato la luce del campo vicino nella forma di un elefante. O, più specificamente, un elefante dentro un boa constrictor, un omaggio al gioco delle dimensioni nel classico di Antoine de Saint-Exupéry Il piccolo principe.

I ricercatori hanno anche modellato la luce in una curva, un pianoro e una linea retta.

"Questa ricerca fornisce un nuovo percorso verso un controllo tridimensionale senza precedenti della luce in campo vicino, " ha detto Capasso. "È un presagio delle scoperte entusiasmanti e degli sviluppi tecnologici che mi aspetto di ottenere da questo lavoro in futuro".