I ricercatori di fisica dell'Università di Bath nel Regno Unito scoprono un nuovo effetto fisico relativo alle interazioni tra luce e materiali contorti, un effetto che probabilmente avrà implicazioni per le nuove nanotecnologie emergenti nelle comunicazioni, nanorobotica e componenti ottici ultrasottili.

Nei secoli XVII e XVIII, il maestro artigiano italiano Antonio Stradivari ha prodotto strumenti musicali di qualità leggendaria, e i più famosi sono i suoi (cosiddetti) violini Stradivari. Ciò che rende bella e unica la resa musicale di questi strumenti musicali è il loro timbro particolare, noto anche come tono di colore o qualità di tono. Tutti gli strumenti hanno un timbro:quando viene suonata una nota musicale (suono con frequenza fs), lo strumento crea armoniche (frequenze che sono un multiplo intero della frequenza iniziale, cioè 2fs, 3fs, 4fs, 5fs, 6fs, eccetera.).

Allo stesso modo, quando la luce di un certo colore (con frequenza fc) brilla sui materiali, questi materiali possono produrre armoniche (frequenze luminose 2fc, 3fc, 4fc, 5fc, 6fc, eccetera.). Le armoniche della luce rivelano complesse proprietà dei materiali che trovano applicazioni nell'imaging medico, comunicazioni e tecnologia laser.

Ad esempio, praticamente ogni puntatore laser verde è infatti un puntatore laser a infrarossi la cui luce è invisibile agli occhi umani. La luce verde che vediamo è in realtà la seconda armonica (2fc) del puntatore laser a infrarossi ed è prodotta da uno speciale cristallo all'interno del puntatore.

Sia negli strumenti musicali che nei materiali lucidi, alcune frequenze sono "proibite", ovvero non possono essere ascoltati o visti perché lo strumento o il materiale li annulla attivamente. Perché il clarinetto ha una retta, forma cilindrica, sopprime tutte le armoniche pari (2fs, 4fs, 6fs, ecc.) e produce solo armoniche dispari (3fs, 5fs, 7fs, eccetera.). Al contrario, un sassofono ha una forma conica e curva che consente tutte le armoniche e si traduce in un suono più ricco, suono più morbido. Un po' allo stesso modo, quando un tipo specifico di luce (polarizzata circolarmente) brilla su nanoparticelle metalliche disperse in un liquido, le dispari armoniche della luce non possono propagarsi lungo la direzione di viaggio della luce ei colori corrispondenti sono vietati.

Ora, un team internazionale di scienziati guidati da ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'Università di Bath ha trovato un modo per rivelare i colori proibiti, equivale alla scoperta di un nuovo effetto fisico. Per ottenere questo risultato, hanno "curvato" la loro attrezzatura sperimentale.

Professor Ventsislav Valev, che ha condotto la ricerca, ha dichiarato:"L'idea che la torsione di nanoparticelle o molecole possa essere rivelata anche attraverso armoniche di luce è stata formulata per la prima volta oltre 42 anni fa, da un giovane Ph.D. studente-David Andrews. David pensava che la sua teoria fosse troppo sfuggente per essere mai convalidata sperimentalmente ma, due anni fa, abbiamo dimostrato questo fenomeno. Ora, abbiamo scoperto che la torsione delle nanoparticelle può essere osservata anche nelle strane armoniche della luce. È particolarmente gratificante che la teoria in questione sia stata fornita nientemeno che dal nostro coautore e professore oggi affermato:David Andrews!

"Per fare un'analogia musicale, fino ad ora, scienziati che studiano le molecole contorte (DNA, aminoacidi, proteine, zuccheri, ecc.) e le nanoparticelle nell'acqua, l'elemento della vita, le hanno illuminate a una data frequenza e hanno osservato quella stessa frequenza o il suo rumore (sottotono parziale disarmonico). Il nostro studio apre allo studio delle firme armoniche di queste molecole contorte. Così, possiamo apprezzare per la prima volta il loro 'timbro'.

"Dal punto di vista pratico, i nostri risultati offrono un semplice, metodo sperimentale di facile utilizzo per ottenere una comprensione senza precedenti delle interazioni tra luce e materiali intrecciati. Tali interazioni sono al centro delle nuove nanotecnologie emergenti nelle comunicazioni, nanorobotica e componenti ottici ultrasottili. Ad esempio, il "twist" delle nanoparticelle può determinare il valore dei bit di informazione (per twist destrorso o sinistrorso). È presente anche nelle eliche dei nanorobot e può influenzare la direzione di propagazione di un raggio laser. Inoltre, il nostro metodo è applicabile in piccoli volumi di illuminazione, adatto per l'analisi di prodotti chimici naturali che sono promettenti per nuovi prodotti farmaceutici ma dove il materiale disponibile è spesso scarso.

dottorato di ricerca studente Lukas Ohnoutek, coinvolto anche nella ricerca, ha dichiarato:"Ci siamo quasi persi questa scoperta. Il nostro equipaggiamento iniziale non era "sintonizzato" bene e quindi continuavamo a non vedere nulla alla terza armonica. Stavo iniziando a perdere le speranze ma abbiamo avuto un incontro, ha identificato potenziali problemi e li ha analizzati sistematicamente fino a quando non abbiamo scoperto il problema. È meraviglioso sperimentare il metodo scientifico all'opera, soprattutto quando porta a una scoperta scientifica!"

Il professor Andrews ha aggiunto:''Il professor Valev ha guidato un team internazionale a un vero primato nella fotonica applicata. Quando ha invitato la mia partecipazione, mi ha riportato al lavoro teorico dei miei studi di dottorato. È stato incredibile vederlo arrivare a compimento così tanti anni dopo".

La ricerca è pubblicata sulla rivista Recensioni laser e fotoniche.