Come può un raggio di luce dire la differenza tra sinistra e destra? Alla Vienna University of Technology (TU Wien) minuscole particelle sono state accoppiate a una fibra di vetro. Le particelle emettono luce nella fibra in modo tale che non viaggi in entrambe le direzioni, come ci si aspetterebbe. Anziché, la luce può essere diretta sia a sinistra che a destra. Ciò è diventato possibile impiegando un notevole effetto fisico:l'accoppiamento spin-orbita della luce. Questo nuovo tipo di interruttore ottico ha il potenziale per rivoluzionare la nanofotonica.

I ricercatori hanno ora pubblicato il loro lavoro sulla rivista Scienza .

Nanoparticelle d'oro su fibre di vetro

Quando una particella assorbe ed emette luce, questa luce non viene emessa solo in una direzione. "Una particella nello spazio libero emetterà sempre tanta luce in una particolare direzione quanta ne emetterà nella direzione opposta", afferma il professor Arno Rauschenbeutel (TU Wien). Il suo team è ora riuscito a rompere questa simmetria di emissione utilizzando nanoparticelle d'oro accoppiate a fibre di vetro ultrasottili. La luce laser incidente determina se la luce emessa dalla particella viaggia a sinistra oa destra nella fibra di vetro.

Eliche di biciclette ed aeroplani

Questo è possibile solo perché la luce ha un momento angolare intrinseco, la rotazione. Simile a un pendolo che può oscillare su un piano particolare o muoversi in cerchio, un'onda luminosa può avere diverse direzioni di oscillazione. Se ha una direzione vibrazionale ben definita, si chiama "onda polarizzata". "Una semplice onda piana ha la stessa polarizzazione ovunque", dice Arno Rauschenbeutel, "ma quando l'intensità della luce cambia localmente, cambia anche la polarizzazione."

Generalmente, la luce oscilla in un piano perpendicolare alla sua direzione di propagazione. Se l'oscillazione è circolare, questo è simile al movimento dell'elica di un aereo. Il suo asse di rotazione - corrispondente allo spin - punta nella direzione di propagazione. Ma la luce che si muove attraverso le fibre di vetro ultrasottili ha proprietà molto speciali. La sua intensità è molto alta all'interno della fibra di vetro, ma diminuisce rapidamente al di fuori della fibra. "Questo porta a un'ulteriore componente di campo nella direzione della fibra di vetro", dice Arno Rauschenbeutel. Il piano di rotazione dell'onda luminosa ruota di 90 gradi. "Quindi, la direzione di propagazione è perpendicolare allo spin, proprio come una bicicletta, muovendosi in una direzione che è perpendicolare agli assi delle ruote."

Controllando il senso di rotazione delle ruote – orario o antiorario – possiamo capire se una bicicletta si muove a destra oa sinistra guardandola di lato. È esattamente lo stesso con i fasci di luce nella fibra di vetro ultrasottile. Il senso di rotazione del campo luminoso è accoppiato alla direzione del movimento. Questo tipo di accoppiamento è una diretta conseguenza della geometria della fibra di vetro e delle leggi dell'elettrodinamica. L'effetto è chiamato "accoppiamento spin-orbita della luce".

Rotazione dell'accoppiamento e direzione del movimento

Quando una particella che è accoppiata alla fibra di vetro viene irradiata con un laser in modo tale da emettere luce di un particolare senso di rotazione, la luce emessa si propagherà quindi in una sola direzione particolare all'interno della fibra di vetro, a sinistra oa destra. Questo effetto è stato ora dimostrato utilizzando una singola nanoparticella d'oro su una fibra di vetro. La fibra è 250 volte più sottile di un capello umano; il diametro della particella d'oro è addirittura quattro volte inferiore. Sia il diametro della fibra che la particella sono anche inferiori alla lunghezza d'onda della luce emessa.

"Questa nuova tecnologia dovrebbe essere facilmente disponibile in applicazioni commerciali. Già ora, l'intero esperimento sta in una scatola da scarpe", dice Arno Rauschenbeutel. "Il metodo potrebbe essere applicato ai circuiti ottici integrati. Tali sistemi potrebbero un giorno sostituire i circuiti elettronici che utilizziamo oggi".