Uno studio condotto dall’IIT dimostra l’utilizzo di metasuperfici per la generazione di vortici di luce accoppiati, promettendo progressi nel campo della microscopia, delle comunicazioni ottiche e dei simulatori fotonici.
Un mulinello d’acqua, un anello di fumo, un violento tornado, le spirali generate da galassie lontane: sono tutti esempi, anche se molto diversi tra loro, di vortici nei fluidi. Vortici analoghi, ma fatti di luce, sono stati creati dal gruppo di ricerca coordinato da Antonio Ambrosio presso l’IIT, Istituto Italiano di Tecnologia di Milano. La ricerca, pubblicata sulla rivista internazionale Nature Photonics, mostra la realizzazione di cento vortici di luce ordinati e accoppiati tra loro, così da creare una sorta di cristallo di luce.
Lo studio dell’interazione tra la luce e i nanomateriali e la possibilità di agire l’uno sull’altro in modo controllato è il focus di ricerca di Antonio Ambrosio, coordinatore del gruppo Vectorial Nano-imaging dell’IIT a Milano e titolare di un finanziamento da parte dell’European Research Council per il progetto “METAmorphoses”, proprio nel campo della nano-ottica. Il lavoro di Ambrosio ha anche il sostegno della Fondazione Cariplo.
Negli ultimi anni, gli scienziati del settore hanno sviluppato diversi generatori di vortici di luce, ma in grado di produrre di solito solo un singolo vortice che si propaga nello spazio. I ricercatori di IIT, invece, hanno dimostrato che è possibile creare contemporaneamente 100 vortici regolarmente equidistanti, a comporre di fatto un cristallo di luce.
I risultati del gruppo di Milano, che ha coinvolto oltre ad Ambrosio, anche lo studente di dottorato Michael de Oliveira e il ricercatore Marco Piccardo, primo autore del lavoro, mostrano come una superficie strutturata a livello nanometrico possa diventare una “maschera” per modulare fasci laser in tutti i loro parametri caratteristici, non soltanto nell’intensità luminosa. La realizzazione di un tale sistema è possibile grazie all’utilizzo di una griglia di metasuperfici, ovvero dispositivi ottici nanostrutturati in grado di modellare un fascio luminoso in uno spessore inferiore a 100 volte circa lo spessore di un capello. Le metasuperfici sviluppate agiscono sul fronte d’onda della luce, conferendogli una forma simile a quella di un’elica.
Inoltre, l’inserimento di queste metasuperfici in una cavità laser conferisce nuove proprietá al sistema di vortici: il numero di eliche dei vortici di luce può essere configurato a piacimento e il loro insieme auto-corregge eventuali difetti presenti nella griglia di metasuperfici. Queste proprietá emergono proprio dallo scambio di energia tra i vortici del sistema. Grazie a queste interazioni ogni vortice viene plasmato dagli altri vortici presenti in un network controllato.
La capacità di regolare il numero di torsioni a piacere è una caratteristica unica del laser a metasuperfici: infatti, anche se i dispositivi hanno un design fisso e possono generare solo un tipo specifico di vortice ottico nello spazio, quando sono inseriti nella cavità di un laser alcune proprietà dei vortici – note come la loro topologia – possono essere accordate semplicemente aggiustandone uno specchio. Questa funzionalità potrebbe essere usata per modulare dinamicamente la luce impartendo informazioni utili, ad esempio, nel campo delle comunicazioni ottiche.
Il sistema sviluppato nei laboratori di Milano è robusto e ha il potenziale di elaborare informazioni codificate anche in diversi sistemi accoppiati, incluse galassie enormi e lontane. Si è di fatto ora in grado di simulare in laboratorio sistemi complessi accoppiati, il cui ordine è alterato da difetti stabili, ma difficilmente realizzabili in laboratorio perché su scale irraggiungibili, come le galassie appunto, oppure appartenenti a sistemi fluidi in condizioni estreme o instabili.
Nel prossimo futuro i ricercatori studieranno come regolare la forza di interazione tra i vortici ed estendere il sistema a un numero ancora maggiore di vortici.
La ricerca è stata realizzata con la collaborazione di gruppi di ricerca all’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova e dell’Università di Witwatersrand.
Rif: Piccardo, M. de Oliveira, A. Toma, V. Aglieri, A. Forbes, and A. Ambrosio, Vortex laser arrays with topological charge control and self-healing of defects, Nature Photonics (2022) https://www.nature.com/articles/s41566-022-00986-0
