Un gruppo di ricerca ha sviluppato una nuova tecnica che consente un controllo spaziotemporale preciso delle onde terahertz mentre attraversano materiali disordinati.
Il metodo, pubblicato su ACS Photonics , potrebbe portare a progressi nell’imaging medico, nelle comunicazioni e in altre applicazioni che si basano su impulsi terahertz a banda larga. La ricerca è stata condotta nell'ambito del progetto TIMING del CER dell'Unione europea e il team comprendeva membri dell'Emergent Photonics Research Center di Loughborough in collaborazione con il professor Jacopo Bertolotti dell'Università di Exeter.
Nel campo dell’ottica, la visione tradizionale ha a lungo visto i sistemi disordinati – come guardare attraverso un vetro smerigliato – come un limite alla chiarezza. Proprio come la nebbia, una distribuzione disordinata di particelle d’acqua, disperde la luce e offusca la nostra visione, questi materiali diffondono la luce in modi imprevedibili. Ma questo nuovo studio mostra che possiamo sfruttare questa dispersione a nostro vantaggio.
Un approccio più moderno che descrive quegli oggetti come “media complessi” rivela una narrazione sorprendentemente diversa. La chiave sta nel comprendere che, sebbene le informazioni siano effettivamente codificate all'interno di questi sistemi, non vengono perse irrimediabilmente e che questa codifica può essere utilizzata per manipolare la luce stessa.
Le onde terahertz sono una forma di radiazione elettromagnetica di lunghezza d'onda compresa tra le microonde e la luce infrarossa. Rappresentano il ponte tra l'elettronica e la fotonica, il che li rende estremamente difficili da generare, rilevare e manipolare. Eppure sono molto ricercate e uniche poiché le onde terahertz possono penetrare materiali come vestiti, carta e plastica, offrendo immagini chiare senza il danno ionizzante dei raggi X e possono trasportare collegamenti di comunicazione eccezionalmente ad alte prestazioni.
Tuttavia, le onde terahertz vengono distorte mentre si propagano attraverso strutture complesse come alcuni tessuti biologici o strutture tecnologiche. In effetti, l'imaging attraverso media complessi è una sfida, ma anche un'opportunità.
In questo studio, i ricercatori hanno utilizzato un tipo speciale di laser ultraveloce, noto per i suoi impulsi estremamente brevi, per creare modelli di impulsi terahertz (della durata di pochi picosecondi).
Mentre questi modelli interagivano con materiale di diffusione complesso, i ricercatori hanno manipolato l'illuminazione del laser impiegando un algoritmo genetico appositamente progettato che imita il processo di evoluzione naturale per risolvere problemi complessi.
Di conseguenza, hanno acquisito il controllo sul modo in cui le onde terahertz si distribuiscono nello spazio e si evolvono nel tempo dopo il materiale. In un certo senso, questo livello di controllo ricompone i pezzi dell'onda mescolati dallo scattering, in una nuova forma con i modelli e i colori desiderati.
"È notevole che i media complessi funzionino come dispositivi sofisticati che manipolano le onde terahertz in modi irraggiungibili nell'arte, e tuttavia sono in realtà assemblaggi casuali di particelle molto accessibili", ha affermato il dottor Vittorio Cecconi, ricercatore capo dello studio. E continua:"Ciò apre nuove possibilità per sfruttare le onde terahertz nelle applicazioni di imaging e rilevamento in cui la dispersione è un problema."
Sebbene questo approccio abbia ramificazioni multidisciplinari, a livello di terahertz, è reso possibile dalla disponibilità di metodi per misurare l’evoluzione del campo elettrico terahertz nel tempo, in modi che assomigliano alla funzione di un oscilloscopio. Tuttavia, nella fotonica, questo è molto raro poiché il campo elettrico (la quantità che oscilla nelle onde elettromagnetiche) non è generalmente misurabile per la luce, dove la quantità comunemente accessibile tramite il fotorilevatore è l'intensità.
Questa differenza specifica consente a una metodologia nota come progettazione Nonlinear Ghost Imaging di ottenere informazioni spazio-temporali sulle onde e sul modo in cui interagiscono con i materiali ottici.
"La sinergia tra il Nonlinear Ghost Imaging e i media complessi ha consentito questa ricerca e sblocca diverse potenziali applicazioni avanzate, come il calcolo terahertz", ha affermato il dott. Cecconi.
Il professor Peccianti, direttore del Centro e ricercatore principale del progetto ERC TIMING, ha sottolineato la missione del Centro, affermando:"All'Emergent Photonics Research Center, la nostra filosofia principale è esplorare l'intersezione tra fotonica ultraveloce e complessità. Qui, la luce trascende la sua ruolo tradizionale di mera illuminazione, evolvendosi in un potente strumento in grado di catturare ed elaborare istantaneamente una grande quantità di informazioni, segnando il percorso di una nuova innovazione tecnologica."
Ulteriori informazioni: Vittorio Cecconi et al, Sintesi di onde spaziotemporali Terahertz in sistemi casuali, ACS Photonics (2024). DOI:10.1021/acsphotonics.3c01671
Fornito dall'Università di Loughborough
