La luce può turbinare come un vortice? Scienziati dell'Università di Varsavia, dell'Università Militare di Tecnologia e dell'Institut Pascal CNRS hanno risposto con un sonoro "sì", creando "tornado ottici" vorticosi all'interno di una struttura estremamente piccola. Il progresso indica un nuovo modo di costruire sorgenti luminose in miniatura con forme complesse, che potrebbero supportare dispositivi fotonici più semplici e scalabili per la comunicazione ottica e le tecnologie quantistiche.
"La nostra soluzione combina diversi campi della fisica, dalla meccanica quantistica, all'ingegneria dei materiali, all'ottica e alla fisica dello stato solido", spiega il Prof. Jacek Szczytko dell'Università di Varsavia, capo del gruppo di ricerca. "L'ispirazione è venuta da sistemi noti dalla fisica atomica, dove gli elettroni possono occupare diversi stati energetici. In fotonica, un ruolo simile è svolto dalle trappole ottiche, che confinano la luce invece degli elettroni." Il Dr. Marcin Muszyński, primo autore dello studio dell'Università di Varsavia e del City College di New York, aggiunge: "Si può pensare come a un vortice ottico. L'onda luminosa si attorciglia attorno al suo asse e la sua fase cambia in modo spiraliforme. Inoltre, anche la polarizzazione - la direzione di oscillazione del campo elettrico - inizia a ruotare."
Questi stati di luce strutturati sono interessanti per applicazioni come la comunicazione quantistica e il controllo di oggetti microscopici, ma produrli ha tipicamente richiesto nanostrutture complicate o grandi sistemi sperimentali. Il team ha scelto una strategia diversa, utilizzando un cristallo liquido - un materiale che scorre come un liquido ma le cui molecole si dispongono in modo ordinato, come un cristallo. All'interno di questo materiale, possono formarsi speciali difetti noti come toroni. "Possono essere immaginati come spirali strettamente attorcigliate, simili al DNA", spiega Joanna Mędrzycka, studentessa di nanotecnologia all'Università di Varsavia che, con la Dr. Eva Oton dell'Università Militare di Tecnologia, ha preparato i campioni di cristallo liquido. "Se una tale spirale viene chiusa unendo le sue estremità in un anello simile a una ciambella, otteniamo un torone."
Per rafforzare l'effetto, il torone è stato posto all'interno di una microcavità ottica - una struttura di specchi che riflette ripetutamente la luce e la mantiene confinata. "Questo rende il campo molto più forte", dice il Dr. Muszyński. "Inoltre, possiamo controllare la dimensione della trappola, e quindi le proprietà della luce, usando una tensione elettrica esterna." Il team ha anche ottenuto qualcosa di nuovo: vortici di luce stabili nello stato fondamentale, lo stato a più bassa energia. "Per la prima volta, siamo riusciti a ottenere questo effetto nello stato fondamentale", spiega il Prof. Guillaume Malpuech dell'Université Clermont Auvergne e del CNRS, che ha sviluppato il modello teorico con il Prof. Dmitry Solnyshkov e il post-doc Daniil Bobylev. "Questo è significativo perché lo stato fondamentale è il più stabile e il più facile per accumulare energia." Per confermare l'emissione laser, i ricercatori hanno introdotto un colorante laser, ottenendo luce che ruota, è coerente e ha energia e direzione di emissione ben definite.
Il Prof. Dmitry Solnyshkov nota: "È interessante che il nostro approccio tragga ispirazione da teorie molto avanzate che coinvolgono una cosiddetta carica vettoriale. Quindi, in un certo senso, siamo riusciti a far comportare i fotoni non come elettroni, ma come quark." Il Prof. Wiktor Piecek dell'Università Militare di Tecnologia conclude: "Questa scoperta apre una nuova strada per creare sorgenti luminose in miniatura con strutture complesse. Invece di fare affidamento su nanotecnologie complesse, possiamo utilizzare materiali auto-organizzanti. In futuro, ciò potrebbe consentire dispositivi fotonici più semplici e scalabili, ad esempio per la comunicazione ottica o le tecnologie quantistiche."