I ricercatori dell'Università della Florida centrale hanno sviluppato un nuovo tipo di raggio laser che non segue i principi di vecchia data su come la luce si rifrange e viaggia.

Le scoperte, che sono stati pubblicati di recente in Fotonica della natura , potrebbe avere enormi implicazioni per la comunicazione ottica e le tecnologie laser.

"Questa nuova classe di raggi laser ha proprietà uniche che non sono condivise dai comuni raggi laser, "dice Ayman Abouraddy, professore al College of Optics and Photonics dell'UCF e ricercatore principale dello studio.

Le travi, noti come pacchetti d'onda spaziotemporali, seguono regole diverse quando si rifrangono, cioè quando passano attraverso materiali diversi. Normalmente, la luce rallenta quando viaggia in un materiale più denso.

"In contrasto, i pacchetti d'onda spaziotemporali possono essere organizzati per comportarsi nel modo consueto, per non cambiare affatto velocità, o anche per accelerare in modo anomalo in materiali più densi, "Abouraddy dice. "Come tale, questi impulsi di luce possono arrivare in diversi punti dello spazio contemporaneamente."

"Pensa a come un cucchiaio all'interno di un bicchiere pieno d'acqua sembra rotto nel punto in cui l'acqua e l'aria si incontrano, "Abouraddy dice. "La velocità della luce nell'aria è diversa dalla velocità della luce nell'acqua. E così, i raggi di luce finiscono per piegarsi dopo aver attraversato la superficie tra aria e acqua, e quindi a quanto pare il cucchiaio sembra piegato. Questo è un fenomeno ben noto descritto dalla legge di Snell".

Sebbene la legge di Snell sia ancora valida, la sottostante variazione di velocità degli impulsi non è più applicabile per i nuovi raggi laser, dice Abouraddy. Queste abilità sono contrarie al Principio di Fermat che dice che la luce viaggia sempre in modo tale da prendere il percorso più breve, lui dice.

"Quello che troviamo qui, anche se, non importa quanto siano diversi i materiali attraversati dalla luce, esiste sempre uno dei nostri pacchetti d'onda spaziotemporali che potrebbe attraversare l'interfaccia dei due materiali senza cambiare la sua velocità, "Abouraddy dice. "Quindi, non importa quali siano le proprietà del mezzo, passerà attraverso l'interfaccia e continuerà come se non ci fosse."

Per la comunicazione, ciò significa che la velocità di un messaggio che viaggia in questi pacchetti non è più influenzata dal viaggiare attraverso materiali diversi di densità diverse.

"Se pensi a un aereo che cerca di comunicare con due sottomarini alla stessa profondità ma uno è lontano e l'altro è vicino, quello che è più lontano subirà un ritardo più lungo di quello che è vicino, "Abouraddy dice. "Troviamo che possiamo fare in modo che i nostri impulsi si propaghino in modo tale che arrivino ai due sottomarini contemporaneamente. Infatti, ora la persona che invia il polso non ha nemmeno bisogno di sapere dov'è il sottomarino, purché siano alla stessa profondità. Tutti quei sottomarini riceveranno l'impulso allo stesso tempo in modo da poterli sincronizzare alla cieca senza sapere dove si trovano".

Il team di ricerca di Abouraddy ha creato i pacchetti di onde spaziotemporali utilizzando un dispositivo noto come modulatore spaziale della luce per riorganizzare l'energia di un impulso di luce in modo che le sue proprietà nello spazio e nel tempo non siano più separate. Ciò consente loro di controllare la "velocità di gruppo" dell'impulso di luce, che è approssimativamente la velocità alla quale viaggia il picco dell'impulso.

Il lavoro precedente ha mostrato la capacità del team di controllare la velocità di gruppo dei pacchetti d'onda dello spaziotempo, anche in materiali ottici. L'attuale studio si è basato su quel lavoro scoprendo che potrebbero anche controllare la velocità dei pacchetti d'onda dello spaziotempo attraverso diversi media. Ciò non contraddice in alcun modo la relatività ristretta, perché si applica alla propagazione del picco dell'impulso piuttosto che alle oscillazioni sottostanti dell'onda luminosa.

"Questo nuovo campo che stiamo sviluppando è un nuovo concetto di fasci di luce, "Abouraddy dice. "Di conseguenza, tutto ciò che esaminiamo usando questi raggi rivela un nuovo comportamento. Tutto il comportamento che conosciamo della luce prende davvero tacitamente una presunzione di fondo che le sue proprietà nello spazio e nel tempo siano separabili. Così, tutto ciò che sappiamo in ottica si basa su questo. È un presupposto intrinseco. È considerato lo stato naturale delle cose. Ma ora, rompendo quel presupposto di fondo, stiamo iniziando a vedere nuovi comportamenti ovunque".

I coautori dello studio erano Basanta Bhaduri, autore principale ed ex ricercatore presso il College of Optics and Photonics dell'UCF, ora con Bruker Nano Surfaces in California, e Murat Yessenov, un dottorando in collegio.

Bhaduri si interessò alla ricerca di Abouraddy dopo averne letto su riviste, come Ottica Express e Fotonica della natura , e si è unito al team di ricerca del professore nel 2018. Per lo studio, ha contribuito a sviluppare il concetto e progettato gli esperimenti, nonché misurazioni effettuate e dati analizzati.

Dice che i risultati dello studio sono importanti in molti modi, comprese le nuove strade di ricerca che apre.

"La rifrazione spazio-temporale sfida le nostre aspettative derivate dal principio di Fermat e offre nuove opportunità per modellare il flusso di luce e altri fenomeni ondulatori, " dice Bhaduri.

I ruoli di Yessenov includevano l'analisi dei dati, derivazioni e simulazioni. Dice di essersi interessato al lavoro volendo esplorare di più sull'entanglement, che nei sistemi quantistici è quando due oggetti ben separati hanno ancora una relazione tra loro.

"Crediamo che i pacchetti di onde spazio-temporali abbiano di più da offrire e che possano essere svelati molti altri effetti interessanti utilizzandoli, ", dice Yessenov.

Abouraddy afferma che i prossimi passi per la ricerca includono lo studio dell'interazione di questi nuovi raggi laser con dispositivi come cavità laser e fibre ottiche, oltre ad applicare queste nuove intuizioni alla materia piuttosto che alle onde luminose.