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Lunedì, Agosto 10, 2020
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La luce laser che curva. Le nuove scoperte della scienza

Sentendo parlare di raggi di luce che curvano, alcuni penseranno all'effetto di deviazione della luce proveniente dagli angoli più remoti del cosmo e prodotta dalla presenza di grandi masse galattiche, prevista dalla teoria della relatività generale e puntualmente verificata dalle osservazioni astronomiche. Ma questo non è l'unico caso in cui la radiazione elettromagnetica si allontana dal familiare comportamento della propagazione in linea retta: negli ultimi anni, alcuni gruppi di ricerca sono riusciti a produrre in laboratorio luce che segue un cammino curvo.

Gli ultimi risultati in ordine di tempo sono quelli ora pubblicati sulle “Physical Review Letters” in due articoli indipendenti, a firma di un gruppo di ricerca dell’Università della California a Berkeley guidato da Xiang Zhang, e di uno della University of Central Florida guidato da Demetrios Christodoulides.

Utilizzando fasci laser molto simili ma differenti nella lunghezza d'onda (pari, rispettivamente, a 532 e 633 nanometri) i due team hanno ottenuto cammini che deviano dalla loro direzione iniziale di circa 60 gradi,  percorrendo non un cammino circolare, come realizzato in passato, ma cammini più complessi: ellittici o addirittura parabolici.

Le ricerche sui raggi di luce che curvano, in effetti, hanno già dato risultati di un certo rilievo, e risalgono a oltre vent'anni fa. Nel 1979, fu pubblicato un lavoro teorico in cui Michael Berry e Nandor Balazs trovarono un risultato singolare: l’equazione di Schrödinger, a cui devono sottostare le funzioni d'onda in meccanica quantistica, ammette soluzioni in forma di pacchetti d’onda – chiamati pacchetti di Airy – che, pur in assenza di una forza esterna, possono accelerare.

Il risultato rimase sulla carta per anni, fino a uno studio del 2007 in cui proprio Christodoulides dimostrò l’esistenza di un analogo ottico dei pacchetti d’onda di Airy: fasci di luce che non subivano diffrazione anche su lunghe distanze e che erano in grado di curvare, o meglio di accelerare lateralmente. Il successo della ricerca ebbe una vasta eco nella comunità scientifica e già si immaginavano possibili sviluppi nella “micromanipolazione ottica” per deviare a piacimento le onde elettomagnetiche d'importanza terapeutica, che avrebbero potuto trovare applicazione per esempio nel trattamento dei tumori.

Un laser su traiettorie ellittiche e paraboliche

Propagazione parabolica di fasci di Weber (in alto) e fasci di Airy (in basso). A sinistra, le traiettorie previste per via teorica e a destra le dimostrazioni sperimentali

Questo primo risultato fu però ottenuto dalle equazioni che descrivono la propagazione della radiazione elettromagnetica, con una tipica semplificazione, ricavata postulando che le onde siano parassiali, ovvero che le diverse componenti del pacchetto d'onda abbiano vettori d’onda che formano un angolo trascurabile con la direzione di propagazione. Nell’aprile di quest’anno è stato compiuto un ulteriore passo in avanti con la dimostrazione dell’esistenza di una soluzione esatta non parassiale, che implica la possibilità di onde luminose in grado di curvare, seppur costrette su una traiettoria circolare.

Nel primo dei due articoli pubblicati adesso, Zhang e colleghi dimostrano, sia sperimentalmente sia per via teorica, che esistono soluzioni ancora più generali, denominate, rispettivamente, fasci accelerati di Mathieu (che seguono traiettorie ellittiche) e fasci accelerati di Weber (che si propagano su traiettorie paraboliche). Seguendo un impianto teorico totalmente diverso, il gruppo di Christodoulides, dal canto suo, dimostra che esistono fasci bidimensionali che seguono cammini ellittici e che non subiscono diffrazione. Esistono inoltre soluzioni tridimensionali che consentono una propagazione di fronti d’onda sferici che in opportuno condizioni possono curvare.


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