Il team del NIST ha diretto la luce in uno strato ultrasottile di nitruro di silicio inciso con scanalature per creare un reticolo di diffrazione. Se si sceglie con cura la separazione tra le scanalature e la lunghezza d'onda della luce, l'intensità della luce diminuisce molto più lentamente, in modo lineare anziché esponenziale. Credito:S. Kelley/NIST
Fai brillare una torcia nell'acqua torbida di uno stagno e il raggio non penetrerà molto lontano. L'assorbimento e la dispersione riducono rapidamente l'intensità del raggio luminoso, che perde una percentuale fissa di energia per unità di distanza percorsa. Quel declino, noto come decadimento esponenziale, vale per la luce che viaggia attraverso qualsiasi fluido o solido che assorbe e disperde facilmente energia elettromagnetica.
Ma non è quello che hanno scoperto i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) quando hanno studiato un sistema di diffusione della luce in miniatura:uno strato ultrasottile di nitruro di silicio fabbricato su un chip e inciso con una serie di scanalature periodiche ravvicinate. Le scanalature creano un reticolo, un dispositivo che disperde diversi colori di luce a diverse angolazioni, mentre il nitruro di silicio agisce per confinare e guidare la luce in entrata il più lontano possibile lungo la lunghezza di 0,2 centimetri del reticolo.
La griglia disperde la luce, la maggior parte verso l'alto, perpendicolare al dispositivo, proprio come fa l'acqua dello stagno. E nella maggior parte dei loro esperimenti, gli scienziati del NIST hanno osservato proprio questo. L'intensità della luce si è attenuata in modo esponenziale ed è stata in grado di illuminare solo le prime scanalature del reticolo.
Tuttavia, quando il team del NIST ha regolato la larghezza delle scanalature in modo che fossero quasi uguali alla distanza tra loro, gli scienziati hanno scoperto qualcosa di sorprendente. Se hanno scelto con cura una specifica lunghezza d'onda della luce infrarossa, l'intensità di quella luce diminuiva molto più lentamente mentre viaggiava lungo il reticolo. L'intensità è diminuita linearmente con la distanza percorsa anziché in modo esponenziale.
Gli scienziati erano altrettanto incuriositi da una proprietà della luce infrarossa diffusa verso l'alto dal reticolo. Ogni volta che l'intensità della luce lungo il reticolo passava da un declino esponenziale a un declino lineare, la luce diffusa verso l'alto formava un raggio ampio che aveva la stessa intensità dappertutto. Un ampio raggio di luce di intensità uniforme è uno strumento altamente desiderabile per molti esperimenti che coinvolgono nuvole di atomi.
L'ingegnere elettrico e informatico Sangsik Kim non aveva mai visto niente di simile. Quando ha osservato per la prima volta lo strano comportamento nelle simulazioni che ha eseguito al NIST nella primavera del 2017, lui e il veterano scienziato del NIST Vladimir Aksyuk temevano che avesse commesso un errore. Ma due settimane dopo, Kim ha visto lo stesso effetto in esperimenti di laboratorio utilizzando veri e propri reticoli di diffrazione.
Se la lunghezza d'onda si spostava anche leggermente o la spaziatura tra i solchi cambiava solo di una piccola quantità, il sistema tornava al decadimento esponenziale.
Il team del NIST ha impiegato diversi anni per sviluppare una teoria che potesse spiegare lo strano fenomeno. I ricercatori hanno scoperto che ha le sue radici nella complessa interazione tra la struttura del reticolo, la luce che viaggia in avanti, la luce diffusa all'indietro dalle scanalature nel reticolo e la luce diffusa verso l'alto. In un momento critico, noto come punto eccezionale, tutti questi fattori cospirano per alterare drasticamente la perdita di energia luminosa, cambiandola da decadimento esponenziale a decadimento lineare.
I ricercatori sono rimasti sorpresi nel rendersi conto che il fenomeno che hanno osservato con la luce infrarossa è una proprietà universale di qualsiasi tipo di onda che viaggia attraverso una struttura periodica con perdite, sia che si tratti di onde acustiche, di luce infrarossa o radio.
La scoperta potrebbe consentire ai ricercatori di trasmettere fasci di luce da un dispositivo basato su chip a un altro senza perdere tanta energia, il che potrebbe essere un vantaggio per le comunicazioni ottiche. Il fascio ampio e uniforme scolpito dalla punta eccezionale è ideale anche per studiare una nuvola di atomi. La luce induce gli atomi a saltare da un livello energetico all'altro; la sua larghezza e intensità uniforme consentono al raggio di interrogare gli atomi in rapido movimento per un periodo di tempo più lungo. Misurare con precisione la frequenza della luce emessa mentre gli atomi effettuano tali transizioni è un passaggio chiave nella costruzione di orologi atomici altamente accurati e nella creazione di sistemi di navigazione precisi basati sui vapori atomici intrappolati.
Più in generale, ha affermato Aksyuk, il fascio di luce uniforme consente di integrare dispositivi fotonici portatili basati su chip con esperimenti ottici su larga scala, riducendone le dimensioni e la complessità. Una volta che il raggio di luce uniforme sonda un vapore atomico, ad esempio, le informazioni possono essere inviate al chip fotonico e lì elaborate.
Un'altra potenziale applicazione è il monitoraggio ambientale. Poiché la trasformazione da assorbimento esponenziale a assorbimento lineare è improvvisa e squisitamente sensibile alla lunghezza d'onda della luce selezionata, potrebbe costituire la base di un rivelatore ad alta precisione di tracce di inquinanti. Se un inquinante in superficie cambia la lunghezza d'onda della luce nel reticolo, il punto eccezionale svanirà bruscamente e l'intensità della luce passerà rapidamente dal decadimento lineare a quello esponenziale, ha affermato Aksyuk.
I ricercatori, tra cui Aksyuk e Kim, che ora si trova alla Texas Tech University di Lubbock, hanno riportato le loro scoperte online nel numero del 21 aprile di Nature Nanotechnology . + Esplora ulteriormente
