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Mercoledì, Giugno 16, 2021
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Il mantello dell'invisibilità spaziale, quando la fantascienza diventa realtà

Uno sviluppo interessante nel campo dell'ottica è la proposta, e la successiva messa a punto, di un mantello dell'invisibilità spaziale, ossia di una struttura che può rendere invisibile qualsiasi oggetto posto in una specifica regione dello spazio. Nell'articolo pubblicato su questo numero di "Nature", Moti Fridman, Alessandro Farsi, Yoshitomo Okawachi e Alexander L. Gaeta estendono questo concetto dimostrando la realizzabilità di un mantello dell'invisibilità temporale, un dispositivo che nasconda gli eventi che si verificano durante uno specifico intervallo di tempo.

Cominciamo col descrivere il funzionamento di un simile mantello spaziale. Un esempio di tale dispositivo è costituito da un guscio che circonda l'oggetto da nascondere. Utilizzando un metodo noto come ottica trasformazionale, il modo in cui l'indice di rifrazione cambia attraverso il materiale che costituisce il guscio è impostato in modo che ogni raggio di luce incidente sul guscio venga deviato in modo da "mancare" l'oggetto che deve essere nascosto. Il raggio viene poi reindirizzato in modo da viaggiare, quando lascia il guscio, nella stessa direzione che avrebbe se non ci fossero affatto né il guscio né l'oggetto nascosto all'interno.

Come nascondere un evento nelle pieghe del tempo

La realizzazione sperimentale del mantello spaziale è intimamente legata allo sviluppo di metamateriali ottici. Questi sono materiali artificiali con proprietà ottiche altamente controllabili, che possono essere molto diverse da quelle che si osservano nei materiali naturali. Un primo esempio è un metamateriale progettato per avere un indice di rifrazione negativo, in modo che i raggi di luce si pieghino nella direzione opposta a quella dei materiali non convenzionali. Finora, il mantello spaziale è stato realizzato, per esempio, con una geometria cilindrica per le radiofrequenze con geometrie "da tappeto" per lunghezze d'onda nell'infrarosso e nel visibile.

In una recente trattazione teorica il concetto di occultamento è stato esteso a quello di occultamento nel tempo. Questo lavoro ha dimostrato che è possibile aprire un varco temporale in un'onda ottica manipolando a livello locale la velocità della luce in modo tale che la parte anteriore e la parte posteriore delle onde vengano rispettivamente accelerata e rallentata. Qualsiasi evento che si verifichi entro il varco temporale che ne risulta - in cui la luce non è presente - sarebbe reso invisibile all'osservazione di chi stesse monitorando l'onda luminosa trasmessa.

Tuttavia, la presenza di questa lacuna temporale nell'intensità della luce sarebbe un chiara indicazione che qualcuno ha manomesso la storia temporale del sistema. Il varco può però essere successivamente chiuso invertendo la modificazione della velocità della luce quando lascia la regione temporale che deve essere mascherata. In questo modo, la luce precedentemente accelerata viene rallentata e la luce in precedenza rallentata viene accelerata. Quando la luce così restaurata raggiunge un osservatore, si osserva un campo di luce uniforme e continuo, e non vi è alcuna indicazione che si sia verificato qualche evento .

Nel loro studio sperimentale sul mantello temporale, Fridman e colleghi hanno fatto uso di lenti temporali e mezzi dispersivi. Per capire il principio di una lente temporale dobbiamo ricordare che una lente ottica convenzionale è un dispositivo che può indurre un fascio di luce incidente a convergere o divergere nello spazio. Dal punto di vista matematico, l'evoluzione spaziale e temporale della luce sono abbastanza simili, e quindi il principio della lente può essere esteso a quello di lente temporale.

Una lente temporale modifica la distribuzione temporale di un campo di luce invece che quella spaziale. Una lente temporale ideale cambia il colore del campo di luce nei diversi istanti del tempo. Questo campo di luce modificato viene poi fatto passare attraverso un mezzo dispersivo, in cui colori diversi viaggiano a velocità leggermente diverse e quindi emergono dal mezzo con diversi ritardi temporali. Quando il sistema è progettato correttamente, tutti i colori possono essere fatti arrivare in un dato punto dello spazio allo stesso istante, o, per analogia con una lente convenzionale, possono tutti essere "focalizzati" sullo stesso punto del tempo.

Nel loro lavoro, Fridman e colleghi hanno usato una lente a divisione temporale, che è una leggera modifica di una lente temporale. Questa lente è composta da due mezze lenti temporali che sono collegate. La luce che passa attraverso la prima metà della lente sperimenta un cambiamento di colore nella direzione opposta a quella che passa attraverso la seconda metà: la prima metà rende la luce più blu mentre la seconda metà la rende più rossa. Quindi, dopo aver attraversato un mezzo dispersivo - una fibra ottica nello studio degli autori - la luce della prima metà sperimenta un ritardo temporale negativo (accelera) rispetto alla luce verde originale, mentre nella seconda metà sperimenta un ritardo positivo (rallenta). In questo modo si apre un intervallo di tempo di circa 50 picosecondi nella intensità della luce trasmessa. In seguito, l'intervallo di tempo viene chiuso senza problemi utilizzando tecniche simili che coinvolgono un mezzo dispersivo opposto al primo e una seconda lente a divisione temporale (si veda la figura).

Come nascondere un evento nelle pieghe del tempo

Schema del sistema di mascheramento temporale di Fridman e colleghi in tempi diversi. a) Un flusso continuo di luce verde passa attraverso il sistema da sinistra a destra. b) La prima lente temporale è accesa e cambia il colore della luce in funzione del tempo. c) La luce modificata viaggia attraverso un mezzo dispersivo. Poiché in questo mezzo-la luce spostata verso il blu viaggia più veloce di quella verde e la luce spostata verso il rosso più lentamente, gradualmente si apre un varco temporale. d) Il varco è aperto al massimo, e nel suo centro si verifica un evento sotto forma di un impulso di luce (non mostrato). e) Il varco gradualmente si chiude via via che la luce passa attraverso un mezzo dispersivo opposto al primo. f) Il varco è completamente chiuso, una seconda lente è accesa in modo che tutti i colori tornino al verde. g) Tutto ciò che vede l'osservatore è una luce continua verde, come se l'evento in d) non si fosse verificato.
Per dimostrare che in questo sistema si realizza un mantello temporale, Fridman e colleghi hanno creato al centro del varco temporale un "evento", sotto forma di un impulso di luce di una frequenza diversa da quella della luce che passa attraverso il sistema. Il mantello temporale è attivato o disattivato attraverso il controllo del funzionamento della lente a divisione temporale realizzato con un'ulteriore luce laser. Gli autori hanno trovato che il segnale rilevato associato a questo evento è più di dieci volte più debole del segnale originale. Questo risultato dimostra che l'evento è stato mascherato.

Come nascondere un evento nelle pieghe del tempo

La distinzione tra occultamento temporale e spaziale può essere compresa con una metafora sul traffico automobilistico. Un mantello spaziale agisce incrocio come uno svincolo a "quadrifoglio" o un cavalcavia, in cui il traffico è guidato (da strade di scorrimento) in modo dar piegare attorno a una certa regione di spazio. Dopo aver attraversato l'incrocio, il traffico continua nella stessa direzione, come se lo svincolo non esistesse. Per contro, un mantello temporale si comporta come un passaggio a livello. Il traffico viene interrotto quando passa un treno, formando un vuoto nel traffico. Dopo che il treno ha superato l'incrocio, le auto fermate accelerano fino a raggiungere il traffico di fronte a loro, e il fatto che un treno abbia attraversato l'incrocio non può essere dedotto osservando il flusso delle auto.

Poiché l'occultamento spaziale e temporale operano in dimensioni fisiche diverse - rispettivamente lo spazio e il tempo - non c'è alcuna ragione fondamentale che impedisca di combinare le due tecniche così da poter attivare o disattivare a piacimento un completo mantello spazio-temporale. Peraltro, già quello che Fridman e colleghi hanno dimostrato essere il primo dispositivo di occultamento temporale unidirezionale potrebbe essere utile in alcune applicazioni, come per esempio il miglioramento della sicurezza nei sistemi di comunicazione su fibra ottica. In prospettiva si può pensare a un aumento del tempo di occultamento passando dall'ordine dei microsecondi ai millisecondi, e alla costruzione di un dispositivo che possa operare simultaneamente con luce incidente proveniente da direzioni diverse.


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