Time diffraction of optical helicity

Immaginate la luce non solo come un raggio luminoso, ma come una piccola trottola che ruota. Alcune trottole ruotano in senso orario, altre in senso antiorario, e altre ancora oscillano in una danza piatta, avanti e indietro. Nel mondo della fisica, questo "spin" è chiamato polarizzazione. Di solito, quando pensiamo alle onde luminose che si scontrano per creare schemi — come i cerchi concentrici che si vedono quando si gettano due pietre in uno stagno — ci aspettiamo che stiano compiendo esattamente la stessa danza. Se una pietra crea un'increspatura in senso orario e l'altra in senso antiorario, la superficie dell'acqua appare calma e disordinata; le bellissime strisce alternate di luce e buio (chiamate frange di interferenza) sembrano svanire. Per oltre un secolo, i libri di testo ci hanno detto che se due fasci di luce sono "ortogonali" (ovvero compiono danze completamente diverse), semplicemente non possono interferire per creare un motivo.

Ma cosa succederebbe se il motivo non fosse nascosto nella luminosità della luce, ma nella differenza tra gli spin? Questa è la domanda che sta al cuore di un nuovo e affascinante studio. Gli scienziati sanno da tempo che la luce trasporta una proprietà chiamata elicità, che è essenzialmente una misura di quanti fotoni "ruotano a sinistra" rispetto a quelli che "ruotano a destra". Mentre la luminosità totale potrebbe apparire noiosa e uniforme quando due fasci di luce discordanti si incontrano, la differenza nella loro energia di spin può comunque creare una pista da ballo selvaggia e invisibile. Questo articolo esplora un'idea audace: cosa succede se prendiamo questo concetto di interferenza della luce e lo spostiamo dallo spazio (dove le fenditure sono una accanto all'altra) al tempo (dove le fenditure sono una dopo l'altra)? Si scopre che anche quando i fasci di luce sono "invisibili" ai nostri occhi perché troppo diversi, possono comunque lasciare un'impronta nel tessuto del tempo e della frequenza, creando schemi che sono nascosti in piena vista.

La danza invisibile della luce

I ricercatori, un team del King's College London e dell'Università di Cambridge, si sono posti l'obiettivo di dimostrare che la luce può interferire anche quando sembra non dovrebbe farlo. Si sono concentrati su un tipo specifico di interazione luminosa chiamata diffrazione temporale. Per capire questo, immaginate un classico esperimento in cui la luce passa attraverso due piccole fenditure in un muro. Di solito, queste fenditure sono vicine tra loro nello spazio. Ma nella "diffrazione temporale", le "fenditure" sono momenti nel tempo. Immaginate un materiale che cambia improvvisamente le sue proprietà per una frazione di secondo, lasciando passare un impulso di luce, poi cambia di nuovo, e poi cambia ancora un momento dopo. Questi due momenti agiscono come due fenditure separate dal tempo invece che dalla distanza.

Il team si è posto una domanda complicata: cosa succede se la luce che passa attraverso la prima "fenditura temporale" ruota in un modo (ad esempio, orizzontalmente) e la luce che passa attraverso la seconda "fenditura temporale" ruota in un modo completamente diverso (verticalmente)? Secondo le vecchie regole, questi due impulsi dovrebbero semplicemente passare l'uno accanto all'altro senza creare un motivo. La luminosità totale sarebbe una macchia liscia e poco interessante. Ma gli autori hanno previsto che, se si osservasse la densità di elicità ottica — un modo elaborato per misurare la differenza tra l'energia della luce che ruota a sinistra e quella che ruota a destra — un bellissimo schema a strisce emergerebbe.

L'esperimento: Catturare fantasmi nello spazio e nel tempo

Per testare questo, il team non si è limitato alla matematica; ha costruito due diversi esperimenti per catturare questi schemi "fantasma".

Per prima cosa, hanno affrontato la versione spaziale (la classica configurazione a due fenditure). Hanno costruito una sottile pellicola d'oro con due fenditure microscopiche, larghe solo 5 micrometri ciascuna (circa la larghezza di un capello umano). Hanno progettato queste fenditure affinché agissero come piccoli filtri: una fenditura lasciava passare la luce che ruotava diagonalmente in un modo, e l'altra la faceva passare ruotando diagonalmente nell'altro modo. Quando hanno fatto passare un laser attraverso di esse, la luminosità totale sullo schermo appariva completamente uniforme — senza strisce, senza frange. Era una luce piatta e noiosa. Ma quando hanno aggiunto una lente speciale e un filtro per misurare l'elicità (la differenza di spin), accadde la magia. Improvvisamente, apparve un motivo di strisce alternate chiare e scure! Era come se la luce stesse sussurrando un codice segreto che solo il giusto rilevatore poteva sentire.

Successivamente, si sono spostati sulla versione temporale, che è quella che sembra davvero da fantascienza. Inveve di due fenditure in un muro, hanno usato una macchina chiamata interferometro di Michelson per creare due impulsi di luce separati nel tempo da un ritardo minuscolo (circa 821,1 femtoseconds — ovvero un quadrilionesimo di secondo). Un impulso era polarizzato orizzontalmente e l'altro verticalmente. Proprio come nell'esperimento spaziale, se si guardava l'energia totale della luce, si otteneva solo una curva liscia. Ma quando hanno misurato l'elicità attraverso diversi colori (frequenze) della luce, hanno trovato lo stesso schema a strisce. Gli impulsi di luce, che non si sono mai toccati nel tempo e avevano spin diversi, erano interferiti per creare un "reticolo di elicità" nello spettro delle frequenze.

Perché questo è importante

L'articolo conferma che l'interferenza è molto più robusta di quanto pensassimo. Anche quando i fasci di luce sono così diversi da sembrare ignorarsi a vicenda, stanno comunque comunicando attraverso un linguaggio nascosto di spin e differenza di energia. Gli autori hanno misurato questi schemi con alta precisiono, dimostrando che le frange "invisibili" corrispondono perfettamente alle loro previsioni teoriche.

Questa scoperta non è solo un trucco affascinante; apre la porta a nuovi modi per controllare la luce. Poiché questi schemi di elicità sono incredibilmente sensibili alla tempistica tra gli impulsi, potrebbero essere utilizzati per creare orologi ultra-precisi o sensori di distanza. Inoltre, poiché diversi tipi di molecole (come le versioni destrorse e sinistrorse della stessa sostanza chimica) reagiscono diversamente alla luce rotante, questi schemi di "diffrazione temporale" potrebbero essere usati per classificare o separare queste molecole con estrema precisione. I ricercatori suggeriscono che, modulando il ritardo temporale tra gli impulsi, potremmo sintonizzare le forze che agiscono sulle particelle minuscole, creando essenzialmente un nuovo tipo di "pinzette ottiche" capaci di afferrare e torcere la materia in modi mai visti prima.

In breve, questo articolo ci mostra che la luce è piena di segreti. Anche quando sembra che non stia accadendo nulla, potrebbe esserci una complessa danza rotante che avviene sottotraccia, in attesa del giusto paio di occhi per essere vista.