Space-Time Optical Diffraction from Synthetic Motion
Questo studio dimostra che le modulazioni di riflettività indotte da laser ultrafast nell'ossido di indio e stagno possono creare aperture in movimento sintetico, consentendo l'osservazione di schemi di diffrazione spazio-temporali sintonizzabili che imitano gli effetti Doppler super-relativistici e offrono una via per trasformazioni della luce spazio-temporali programmabili.
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La luce solitamente si comporta come un viaggiatore che segue una mappa rigorosa. Quando colpisce un oggetto stazionario, come la superficie di un CD o una superficie strutturata, la luce si diffonde in direzioni specifiche, ma il suo colore, o frequenza, rimane esattamente lo stesso. L'oggetto può cambiare la direzione in cui la luce viaggia, ma non può cambiare l'energia della luce stessa. Al contrario, se un materiale cambia le sue proprietà molto rapidamente nel tempo, può spostare il colore della luce, ma non può alterare la direzione del viaggio. Per decenni, gli scienziati hanno trattato questi due effetti — cambiare direzione e cambiare colore — come strumenti separati. Uno modella il percorso della luce, l'altro modella la sua energia, ma raramente lavorano insieme in un'unica azione unificata.
Questa separazione crea un limite su ciò che possiamo fare con la luce. Per creare fasci complessi e programmabili che possano fare cose come nascondere oggetti o simulare la fisica estrema dei buchi neri, i ricercatori hanno bisogno di un modo per cambiare sia la direzione che il colore della luce simultaneamente, in modo che siano profondamente legati. La sfida è che creare un materiale che si muova abbastanza velocemente per farlo è impossibile; nulla con massa può viaggiare più veloce della luce. Tuttavia, esiste un astuto aggiro. Gli scienziati possono creare un "moto sintetico", dove un modello di cambiamento si muove attraverso una superficie non perché il materiale stesso si stia muovendo, ma perché un trigger, come un impulso laser, lo sta spazzando via. Questo modello può muoversi più velocemente della luce, un fenomeno che è permesso perché nessun oggetto fisico sta effettivamente viaggiando così velocemente, solo l'effetto del cambiamento.
In uno studio recente, ricercatori dell'Imperial College London e dell'Università di Exeter hanno dimostrato come utilizzare questo moto sintetico per piegare la luce in un modo completamente nuovo. Hanno lavorato con un film sottilissimo di un materiale chiamato ossido di indio e stagno, spesso solo 40 nanometri — circa un diecimila di la larghezza di un capello umano. Questo materiale ha una proprietà speciale per cui la sua capacità di riflettere la luce cambia drasticamente quando viene colpito da un potente impulso laser ultrafast. I ricercatori hanno utilizzato un setup pump-probe, una tecnica in cui un impulso laser funge da trigger e un secondo impulso, più debole, funge da probe per misurare il risultato.
Il team ha prima creato un'onda continua di cambiamento sparando un ampio impulso laser con un angolo attraverso il film. Poiché l'impulso ha colpito la superficie con un'inclinazione, il punto in cui il materiale ha cambiato la sua riflettività è apparso correre sulla superficie a una velocità superiore a quella della luce. Quando hanno proiettato un secondo fascio di luce più debole su questo modello di cambiamento in corsa, la luce non è stata solo riflessa; è stata diffratta, o dispersa, in una danza complessa di direzione e colore. I ricercatori hanno scoperto che la luce che emerge dal film aveva la sua direzione e il suo colore strettamente legati. Se la luce veniva dispersa con un angolo leggermente diverso, il suo colore si era spostato in modo prevedibile. Questa correlazione significava che la luce stava subendo una trasformazione che non poteva essere ottenuta da alcun oggetto statico o semplicemente cambiando il materiale nel tempo da solo.
Per dimostrare che questo effetto era guidato dalla velocità del moto sintetico, i ricercatori hanno variato la velocità del modello in corsa. Lo hanno fatto cambiando l'angolo dell'impulso laser in arrivo. Quando il modello si muoveva più lentamente del raggio probe, la luce si spostava in una direzione; quando il modello si muoveva più velocemente, lo spostamento si invertiva nella direzione opposta. La relazione tra il cambiamento di angolo e il cambiamento di colore era così precisa che corrispondeva a un modello teorico basato sull'effetto Doppler, lo stesso principio che fa sembrare il suono di una sirena più acuto quando si avvicina e più grave quando si allontana. In questo caso, la "sirena" era il modello di riflettività in movimento, e il "suono" era l'onda luminosa. I ricercatori hanno calcolato che la velocità di questo moto sintetico era superluminale, il che significa che superava la velocità della luce, eppure la fisica dell'interazione rimaneva valida, comportandosi come se una particella che viaggia più veloce della luce avesse colpito il raggio probe.
Il team ha anche esplorato un secondo metodo, passando da un'onda continua a un moto discreto, passo dopo passo. Inve invece di un singolo impulso che spazza la superficie, hanno sparato due impulsi laser separati e minuscoli in punti diversi del film con un ritardo preciso tra loro. Questo ha creato due distinte chiazze di riflettività modificata che apparivano muoversi da un punto all'altro. Quando il raggio probe ha colpito queste due chiazze, ha creato un modello di interferenza, simile al famoso esperimento della doppia fenditura, ma che avviene sia nello spazio che nel tempo. Il modello di luce risultante mostrava strisce diagonali dove il colore e la direzione erano legati, confermando che anche con passi discreti, il moto sintetico poteva controllare le proprietà della luce in modo unificato.
I risultati di questo lavoro sono significativi perché mostrano che la luce può essere manipolata con un livello di controllo precedentemente ritenuto impossibile. I ricercatori hanno misurato un'efficienza di diffrazione fino al 4,2 percento, che è alta per un'interazione così complessa, e le loro simulazioni numeriche hanno confermato che i modelli osservati erano un risultato diretto della modulazione spazio-temporale non separabile. Lo studio esclude l'idea che questi effetti siano semplicemente la somma di cambiamenti spaziali e temporali separati; al contrario, i dati mostrano un comportamento unico e non reciproco in cui la luce non può semplicemente ritracciare il suo percorso se la direzione del tempo venisse invertita. Ciò suggerisce che il sistema rompe la consueta simmetria del tempo, una caratteristica che potrebbe essere cruciale per i futuri dispositivi ottici.
Sebbene l'applicazione immediata sia nell'ambito della fisica fondamentale, la capacità di creare queste trasformazioni spazio-temporali programmabili apre la porta a nuove tecnologie. I ricercatori suggeriscono che tali sistemi potrebbero essere utilizzati per simulare fenomeni relativistici, come il comportamento della luce vicino ai buchi neri, senza la necessità della gravità estrema dello spazio. Indicano anche potenziali utilizzi nelle comunicazioni e nella sensoristica, dove la capacità di indirizzare la luce e spostare la sua frequenza simultaneamente potrebbe portare a una trasmissione dati più veloce ed efficiente. Padroneggiando l'arte del moto sintetico, gli scienziati hanno compiuto un passo verso la costruzione di un nuovo tipo di dispositivo ottico in grado di dare forma alla luce in modi che un tempo erano possibili solo in teoria.
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