Guidare e catturare in modo affidabile le onde ottiche è fondamentale per il funzionamento di varie tecnologie contemporanee, compresi i sistemi di comunicazione e di elaborazione delle informazioni. L'approccio più convenzionale per guidare le onde luminose sfrutta la riflessione interna totale delle fibre ottiche e di altre strutture simili, ma recentemente i fisici hanno esplorato il potenziale di tecniche basate su altri meccanismi fisici.
I ricercatori della University of Southern California hanno recentemente ideato un approccio altamente innovativo per intrappolare la luce. Questo metodo, introdotto in Fisica Naturale , sfrutta le proprietà esotiche dei punti di Lagrange, gli stessi punti di equilibrio che governano le orbite dei corpi celesti primordiali, come i cosiddetti asteroidi troiani nel sistema Sole-Giove.
"La scoperta dei punti di Lagrange, che sembra essere fondamentale in questa ricerca, può essere fatta risalire ai primi lavori di Leonhard Euler e Joseph-Louis Lagrange, i quali scoprirono che in questi luoghi, l'attrazione gravitazionale esercitata da due grandi corpi può essere controbilanciato esattamente dalle forze centrifughe," hanno detto a Phys.org Mercedeh Khajavikhan e Demetrios N. Christodoulides, coautori dell'articolo.
"Mentre alcuni di questi punti, in particolare e, sono già utilizzati come posizioni strategiche nello spazio per la stabilità dei satelliti con un consumo minimo di propellente (come esemplificato dal telescopio James Webb e dal satellite Aditya L1 recentemente schierato), il nostro studio si concentra sulle intriganti proprietà di e punti di Lagrange."
Gli asteroidi troiani sono un folto gruppo di asteroidi che orbitano attorno al sole sulla stessa orbita del pianeta Giove. I punti di Lagrange, che prendono il nome dal famoso matematico Lagrange che li scoprì, sono posizioni nello spazio in cui la forza gravitazionale di due corpi nello stesso sistema (ad esempio, il Sole e Giove) produce regioni potenziate di attrazione e repulsione.
Come parte del loro studio, Khajavikhan e Christodoulides hanno deciso di indagare il potenziale dell’utilizzo della fisica unica di queste posizioni per guidare e intrappolare le onde luminose. Nel loro articolo, i ricercatori hanno dimostrato che l'uso dei punti di Lagrange per applicazioni ottiche somiglia in qualche modo alla cattura di asteroidi troiani all'interno dell'orbita Sole-Giove.
"La guida d'onda ottica di Lagrange viene indotta facendo passare la corrente attraverso un filo elicoidale in un cilindro di olio di silicio polimerizzato", hanno affermato Khajavikhan e Christodoulides.
"Per mezzo dell'effetto termo-ottico, questo a sua volta produce un paesaggio con indice contorto dove, in questo caso, la repulsione dei fotoni è bilanciata dalla forza centrifuga. Controintuitivamente, in questo profilo dell'indice di pendio montano, viene prodotto un punto di Lagrange stabile e di conseguenza, un raggio ottico troiano viene intrappolato in modo bidimensionale in questa posizione."
Come parte del loro studio, Khajavikhan e Christodoulides hanno creato nel loro laboratorio un sistema compatto che riproduce le proprietà dei punti di Lagrange, come quelli osservati nelle orbite degli asteroidi troiani. Il loro sistema costruito in laboratorio era costituito da un filo di ferro a forma elicoidale inserito in un mezzo con un indice di rifrazione dipendente dalla temperatura.
I ricercatori hanno poi potuto riscaldare questo mezzo in modo non omogeneo facendo passare l’elettricità attraverso il filo. Alla fine, questo processo ha consentito la formazione di quello che chiamano raggio ottico di Troia.
Questo semplice esperimento ha portato a osservazioni molto interessanti. È interessante notare che i ricercatori hanno scoperto che i raggi Trojan ottici potrebbero essere guidati o catturati in questo ambiente con indice di rifrazione sfocato, cosa che non è fattibile in circostanze normali.
"Ancora più importante, il panorama dell'indice di rifrazione in cui vengono catturati questi raggi ottici è del tutto insignificante, non avendo caratteristiche di sorta che possano predire una risposta guida", hanno detto Khajavikhan e Christodoulides. "In sostanza, il raggio ottico è intrappolato in un luogo sperduto, in regioni completamente invisibili dove non esistono strutture di guida d'onda convenzionali."
Il recente lavoro di questo team di ricercatori mostra che le caratteristiche uniche dei punti di Lagrange possono essere sfruttate per guidare e intrappolare le onde luminose. In futuro, potrebbe favorire lo sviluppo di nuove tecniche per guidare le onde ottiche in ambienti non convenzionali quando gli approcci convenzionali sono inefficaci, come nei liquidi e nei gas.
"Una possibile strada per ulteriori esplorazioni potrebbe essere l'uso dei raggi Trojan nei sistemi di amplificazione (laser), dove il guadagno o la perdita ottica possono stabilire mezzi alternativi per l'attrazione o la repulsione del raggio in mezzi completamente dielettrici", hanno detto Khajavikhan e Christodoulides.
Finora i ricercatori si sono concentrati solo sull’uso dei punti di Lagrange per guidare i fasci di luce. Tuttavia, in futuro la metodologia sviluppata potrebbe essere testata anche in altri settori della fisica che vanno oltre l'ottica, ad esempio come tecnica per guidare le onde acustiche o gli atomi ultrafreddi.
"A questo punto, abbiamo in programma di esplorare la possibilità di guidare la luce nelle onde acustiche sia nei mezzi liquidi che gassosi", hanno aggiunto Khajavikhan e Christodoulides. "Infine, sarebbe interessante osservare per la prima volta l'intrappolamento e il trasporto di micro e nanoparticelle dielettriche nelle guide d'onda di Lagrange utilizzando raggi traenti ottici in cui possono essere indotti più punti di Lagrange, un aspetto che non è possibile nella meccanica celeste."
Ulteriori informazioni: Haokun Luo et al, Guidare i raggi di luce di Troia attraverso i punti di Lagrange, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02270-6
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