Revisione fisica X recentemente segnalato su un nuovo risonatore ottico dal Technion-Israel Institute of Technology che non ha precedenti nel miglioramento della risonanza. Sviluppato dallo studente laureato Jacob Kher-Alden sotto la supervisione del professor Tal Carmon, il risonatore Technion ha capacità da record nel miglioramento della risonanza.

Un risonatore è un dispositivo che intrappola le onde e le migliora o le fa eco riflettendole da una parete all'altra in un processo chiamato potenziamento risonante. Oggi, esistono risonatori complessi e sofisticati di vario genere in tutto il mondo, così come semplici risonatori familiari a tutti noi. Esempi di questo includono la cassa del risonatore di una chitarra, che esalta il suono prodotto dalle corde, o il corpo di un flauto, che esalta il suono creato nel bocchino dello strumento.

La chitarra e il flauto sono risonatori acustici in cui il suono riverbera tra le pareti del risonatore. In fisica, ci sono anche risonatori ottici, come nei dispositivi laser. Un risonatore è, infatti, uno dei dispositivi più importanti in ottica:"È il transistor dell'ottica, " ha detto il prof. Carmon.

Parlando in generale, i risonatori hanno bisogno di almeno due specchi per moltiplicare la luce riflessa (proprio come al parrucchiere). Ma possono contenere anche più di due specchi. Per esempio, tre specchi possono essere utilizzati per riflettere la luce in una forma triangolare, quattro in una piazza, e così via. È anche possibile disporre molti specchi in una forma quasi circolare in modo che la luce circoli. Più specchi sul ring, più la struttura si avvicina a quella di un cerchio perfetto.

Ma questa non è la fine della storia, poiché l'anello limita il movimento della luce a un unico piano. La soluzione è una struttura sferica, che permette alla luce di ruotare su tutti i piani passanti per il centro del cerchio, indipendentemente dalla loro inclinazione. In altre parole, nello spazio tridimensionale.

Nel passaggio dalla fisica all'ingegneria, sorge la domanda su come produrre un risonatore il più vicino possibile a una sfera pulita, liscio, e fornisce il numero massimo di rotazioni per una risonanza ottimale. È una sfida che ha coinvolto molti gruppi di ricerca e ha prodotto, tra gli altri, un minuscolo risonatore di vetro a forma di sfera o anello, che si svolge accanto a una fibra ottica stretta. Un esempio di questo è stato presentato dal Prof. Carmon due anni fa in Natura .

Qui, c'era ancora margine di miglioramento, poiché anche lo stelo che sostiene la sfera crea una distorsione nella sua forma sferica. Quindi, il desiderio è nato per produrre un risonatore fluttuante, un risonatore non trattenuto da alcun oggetto materiale.

Il primo micro-risonatore al mondo è stato dimostrato negli anni '70 da Arthur Ashkin, vincitore del Premio Nobel 2018 per la Fisica, che ha presentato un risonatore galleggiante. Nonostante il raggiungimento, la direzione della ricerca fu presto abbandonata. Ora, ispirato dal lavoro pionieristico di Ashkin, il nuovo risonatore fluttuante mostra un miglioramento risonante di 10, 000, 000 circolazioni di luce, rispetto a circa 300 circolazioni nel risonatore di Ashkin.

Il risonatore levitante

In un risonatore a specchio che riflette il 99,9999% della luce, la luce ruoterà di circa un milione di giri o "viaggi di andata e ritorno". Secondo il prof. Carmon, "Se prendiamo una luce che ha una potenza di un watt, simile alla luce del flash su un telefono cellulare, e gli permettiamo di ruotare avanti e indietro tra questi specchi, la potenza della luce sarà amplificata a circa un milione di watt:la potenza è pari al consumo di elettricità di un grande quartiere di Haifa, Israele. Possiamo usare l'elevata emissione di luce, Per esempio, per stimolare varie interazioni luce-materia nella regione tra gli specchi".

Infatti, un milione di watt sono costituiti dalla stessa singola particella di luce che viaggia avanti e indietro attraverso la materia, ma la materia non "sa" che è la stessa particella di luce che si muove ripetutamente attraverso la materia, poiché i fotoni sono indistinguibili. Si "sente" solo il grande potere. In un dispositivo di questo tipo è anche importante che il milione di watt passi attraverso una piccola sezione trasversale. Infatti, il dispositivo sviluppato da Kher-Alden conduce la luce in 10 milioni di viaggi circolari, in cui la luce è focalizzata su un'area del fascio 10, 000 volte più piccola dell'area della sezione trasversale di un capello. Nel fare ciò, Kher-Alden ha raggiunto un record mondiale nel miglioramento risonante della luce.

Il risonatore sviluppato dai ricercatori Technion è costituito da una minuscola goccia di olio altamente trasparente di circa 20 micron di diametro, un quarto dello spessore di una ciocca di capelli. Utilizzando una tecnica chiamata "pinza ottica, ' la goccia viene trattenuta in aria usando la luce. Questa tecnica viene utilizzata per trattenere la goccia in aria senza supporto materiale, che potrebbe danneggiarne la forma sferica o sporcare la goccia. Secondo il prof. Carmon, "Questa geniale invenzione ottica, la pinza ottica, è molto usato nelle scienze della vita, chimica, dispositivi di microflusso e altro ancora, e sono proprio i ricercatori ottici che lo usano poco, un po' come il ciabattino che cammina scalzo. In questo studio, mostriamo che le pinze ottiche hanno un enorme potenziale nel campo dell'ingegneria ottica. È possibile, Per esempio, per costruire un circuito ottico utilizzando più pinze ottiche che contengono molti risonatori e controllano la posizione dei risonatori e la loro forma secondo necessità."

Le minuscole dimensioni della goccia migliorano anche l'integrità sferica, perché la gravità difficilmente lo distorce, poiché è marginale in queste dimensioni rispetto alle forze di tensione superficiale all'interfaccia del liquido che gli conferiscono una forma sferica. Nel sistema unico sviluppato dai ricercatori Technion, la goccia d'olio è trattenuta da un raggio laser e riceve la luce da un'altra fibra, che riceve anche la luce dopo che è passata attraverso il risonatore.

In base alle proprietà della luce che ritorna alla fibra, i ricercatori possono sapere cosa è successo all'interno della goccia. Per esempio, possono spegnere la luce che entra nel risonatore ed esaminare per quanto tempo un fotone sopravviverà nel risonatore prima che svanisca. Sulla base di questi dati e della velocità della luce, possono calcolare il numero di rotazioni che il fotone compie (in media) in una goccia. I risultati mostrano un record mondiale nell'amplificazione della luce:10, 000, 000 rotazioni che attraversano un'area della sezione trasversale di circa un micron quadrato, aumentando la luce 10 milioni di volte.