Un'impressione artistica di una luce vettoriale complessa che passa attraverso alcuni media complessi distorsivi e viene alterata in qualche modo. Il modello della luce rappresenta lo stato di polarizzazione. I complessi media mostrati negli inserti includono tessuto vivente, sott'acqua, fibra ottica e trasmissione attraverso l'atmosfera. Credito:Wits University
Un team guidato da ricercatori dell'Università del Witwatersrand a Johannesburg, in Sud Africa, con i collaboratori dell'Università di Pretoria (Sud Africa), nonché del Messico e della Scozia, ha fatto una nuova scoperta su come si comporta la luce nei media complessi, che tende a distorcere la luce in modo significativo. Hanno dimostrato che la "distorsione" è una questione di prospettiva, delineando una semplice regola che si applica a tutta la luce e a una vasta gamma di media, inclusi sott'acqua, fibra ottica, trasmissione nell'atmosfera e persino attraverso campioni biologici viventi.
Il loro nuovo approccio quantistico al problema risolve un dibattito permanente sul fatto che alcune forme di luce siano robuste o meno, correggendo alcune idee sbagliate nella comunità. È importante sottolineare che il lavoro sottolinea che tutta la luce ha una proprietà che rimane invariata, un'intuizione che detiene la chiave per svelare il resto della distorsione percepita. Per convalidare la scoperta, il team ha mostrato un trasporto robusto attraverso sistemi altrimenti altamente distorsivi, utilizzando il risultato per una comunicazione priva di errori attraverso canali rumorosi.
Fotonica della natura ha pubblicato oggi online la ricerca del team guidato dal professor Andrew Forbes della School of Physics della Wits University. Nel loro articolo il team spiega le semplici regole che governano la propagazione della luce complessa nei media complessi. In primo luogo, scoprono che tutti questi mezzi possono essere trattati allo stesso modo e che l'analisi non dipende dal tipo di luce utilizzata. In precedenza ogni scelta di media e raggio di luce veniva trattata come un caso speciale, non più così:la nuova teoria generale copre tutto. In secondo luogo, mostrano che, nonostante la distorsione, c'è una proprietà della luce - la sua "vettorialità" - che rimane invariata, invariante per i media. Questo è sempre vero e non era stato notato prima. Detiene la chiave sfruttando la luce anche in condizioni non ideali.
Se passi la luce attraverso un mezzo imperfetto, come l'atmosfera, viene distorta. Ad esempio, l'effetto miraggio scintillante vicino a strade calde o lo scintillio delle stelle sono entrambi esempi di luce che viene distorta a causa della turbolenza dell'atmosfera. La luce a volte può anche essere deliberatamente distorta, come gli specchi di un luna park che ti fanno sembrare più alto, più magro o più rotondo. In questo caso capiamo tutti che la distorsione è solo una questione di prospettiva - un rapido sguardo a noi stessi senza lo specchio rivela la realtà - ma è vero anche in altri sistemi distorsivi? C'è un modo per guardare la luce in modo che la distorsione scompaia? Il team guidato da Wits mostra che sì, alcune proprietà non vengono mai distorte, mentre altre possono essere svelate da un cambio di prospettiva.
La domanda è come capire cosa succede alla luce, come viene distorta e come trovare la nuova prospettiva? Per rispondere a queste domande il team ha utilizzato la forma di luce più generale possibile, la luce vettoriale. La luce ha un campo elettrico la cui direzione può variare attraverso il campo, a volte punta verso l'alto, verso il basso, a sinistra, a destra e così via. La "vettorialità" di una luce è il modo in cui è confusa la direzione del campo elettrico di una luce. In altre parole, è una misura di quanto siano simili le direzioni dei campi elettrici di una luce in luoghi diversi:se è la stessa ovunque (omogenea) il valore è 0, e se è ovunque diversa (disomogenea) il valore è 1. Questa omogeneità vettoriale non cambia mai, anche se cambia lo schema del campo elettrico stesso. Il motivo è racchiuso negli stati quantistici entangled, un argomento che sembra avere poco in comune con le distorsioni ottiche. La nuova scoperta è stata resa possibile applicando strumenti dal mondo quantistico al mondo delle distorsioni ottiche.
"Quello che abbiamo scoperto è che la vettorizzazione è l'unico attributo della luce che non si altera quando si passa attraverso un supporto complesso", afferma il professor Andrew Forbes, della Wits School of Physics. "Ciò significa che abbiamo qualcosa di speciale che può essere sfruttato quando si utilizza la luce per le comunicazioni o il rilevamento."
"Questo è un aspetto particolare del modello della luce:come appare il modello di polarizzazione", afferma Forbes. "La 'polarizzazione' è solo un modo elegante per descrivere la direzione del campo elettrico che costituisce la luce. Anche lo schema è distorto, ma la sua natura intrinseca (di omogenea o disomogenea) non lo è."
L'approccio del team consente ai ricercatori di identificare come correggere eventuali distorsioni attraverso i media in un modo che non costi luce. In altre parole, non vi è alcuna perdita.
"Mostriamo che anche se la luce è molto distorta, la distorsione è solo una questione di prospettiva. Si può vedere la luce in modo tale che riacquisti le sue proprietà originali 'non distorte'. È straordinario che la luce complessa in media complessi possa essere universalmente compreso da regole molto semplici."
Ad esempio, semplicemente cambiando il modo in cui viene effettuata una misurazione, qualsiasi comunicazione attraverso un media molto distorto può essere resa "libera da distorsioni". Ciò che il team ha dimostrato era vero sperimentalmente attraverso una gamma di sistemi, dalla turbolenza, alla fibra liquida o ottica. + Esplora ulteriormente
