Credito:Lettere di revisione fisica
I ricercatori di Skoltech, dell'Università dell'Islanda e dell'Università di Southampton hanno dimostrato la formazione di una strana entità mai vista prima dal regno della fisica quantistica:un ammasso di vortici ottici con periodici capovolgimenti di carica. Gli studi fondamentali sui vortici ottici promettono applicazioni nella microscopia ottica, nella crittografia quantistica, nella comunicazione ottica a larghezza di banda migliorata, nel calcolo analogico e nella tecnologia delle pinzette ottiche. La ricerca è stata pubblicata in Physical Review Letters ed è apparso sulla copertina del numero.
Un vortice ottico è una luce attorcigliata come una spirale attorno al suo asse di propagazione. Proiettato su una superficie piana, appare come un anello con una macchia scura al centro. Un vortice ha una cosiddetta carica topologica, che puoi considerare come un numero che denota la velocità con cui ruota e in quale direzione.
Il recente studio riporta come i suoi autori sono riusciti a indurre quattro di questi vortici come un ammasso e hanno rilevato che le loro cariche variavano in modo regolare, cambiando con un periodo di un quinto di nanosecondo. Sebbene in precedenza fossero stati osservati ammassi o reticoli di vortici ottici, per la prima volta viene segnalata un'oscillazione di carica rapida.
Cosa rende interessanti i vortici ottici
I vortici ottici in quanto tali offrono un'interessante opportunità per superare la limitazione della larghezza di banda delle linee di comunicazione in fibra ottica. Ci sono solo così tanti canali di trasmissione che puoi impacchettare in una fibra ottica, il che significa che c'è un limite alla larghezza di banda. Tuttavia, due vortici anche alla stessa lunghezza d'onda della luce potrebbero essere distinti dalla loro carica, quindi in un certo senso occupano canali distinti. Tale "moltiplicazione" del canale è nota come multiplexing.
Un'altra interessante applicazione sono le pinzette ottiche. Si tratta di raggi laser appositamente preparati per trattenere o manipolare oggetti microscopici come atomi, nanoparticelle o persino cellule biologiche. Utilizzata dagli anni '80, questa tecnologia delle pinzette potrebbe essere migliorata utilizzando vortici ottici, che consentirebbero di intrappolare un oggetto in un anello di luce e ruotarlo, grazie alla natura rotante del vortice.
Come creare un vortice ottico con capovolgimento periodico della carica
Gli esperimenti sono stati condotti nel laboratorio di fotonica ibrida di Skoltech, guidato dal professor Pavlos Lagoudakis, vicepresidente dell'Istituto per la fotonica. I vortici nello studio sono stati generati in un sistema noto come microcavità eccitone-polaritoni.
Negli esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato una struttura a microcavità a semiconduttore:due specchi altamente riflettenti ravvicinati con pozzi quantistici inseriti nel mezzo. Ciò consente la localizzazione della luce e una forte interazione con il mezzo semiconduttore, dando origine a quasiparticelle denominate polaritoni, stati accoppiati degli elettroni e delle lacune nel materiale e dei fotoni nel raggio laser incidente.
"Il problema era che dovevamo assicurarci che la carica di ogni vortice fosse casuale all'inizio e si evolvesse liberamente secondo le regole dinamiche quantistiche di condensazione. Ciò significa che il sistema avrebbe auto-organizzato spontaneamente i suoi vortici, implicando un comportamento emergente. Quindi non potevamo semplicemente imprimere un reticolo di vortici nel nostro sistema con un laser, perché ciò creerebbe vortici con cariche note e rimuoverebbe qualsiasi spontaneità", il primo autore dell'articolo, Skoltech Ph.D. lo studente Kirill Sitnik, ha commentato.
"Abbiamo eccitato i polaritoni con un raggio laser a forma di anello. Alla potenza di eccitazione critica, alcuni dei polaritoni si sono localizzati all'interno di una trappola efficace indotta otticamente, occupando una sovrapposizione di stati quantizzati macroscopici con vortici auto-organizzati che oscillano in modo periodico", il ha detto il PI dello studio Pavlos Lagoudakis. + Esplora ulteriormente
