Un approfondimento delle ultime ricerche condotte dall’unità di ricerca Vectorial Nano-imaging di IIT, coordinata da Antonio Ambrosio
Albert Einstein nella sua biografia scrisse di avere sognato di cavalcare un raggio di luce, e da lì prese forma la teoria della relatività. La luce è un fenomeno fisico che ha sempre affascinato gli scienziati, da Newton fino ai nostri giorni, e la capacità di manipolarne le sue caratteristiche ha dato avvio a nuove tecnologie, come i laser, le fibre ottiche, e i quantum computer. Al Center for Nano Science and Technology dell’IIT a Milano il ricercatore Antonio Ambrosio, titolare di due finanziamenti dell’European Research Council e Principal Investigator del Vectorial Nano-imaging lab, si occupa proprio della manipolazione della luce e di studiare, anche negli aspetti più fondamentali, le conseguenze e le applicazioni di tali studi.
In due recenti lavori, apparsi sulle prestigiose riviste scientifiche Nature Communications e Science Advances, il gruppo di ricerca guidato da Ambrosio ha introdotto sia un nuovo materiale da utilizzare nel campo della fotonica e optoelettronica, sia un metodo per controllare la luce anche nella sua dimensione temporale (riferendosi così a quello spazio-tempo proprio della relatività generale di Einstein).
Il primo lavoro nasce da un’immagine futuristica. Se esistesse un materiale dentro cui la luce possa scorrere quasi fosse un fluido di cui non si perde nemmeno una goccia e di cui se ne possano controllare le direzioni e le proprietà fisiche, tale materiale sarebbe utile per le telecomunicazioni, per microscopi ottici a super risoluzione, nelle manipolazioni quantistiche, ma anche come assorbitore ed emettitore di luce solare sottoforma di energia, oppure per rendere gli oggetti quasi invisibili, oppure colorati a seconda del loro orientamento verso la luce. Ambrosio e il suo gruppo hanno studiato un cristallo composto da atomi di Molibdeno, Cloro e Ossigeno (MoOCl2), dimostrando che è possibile manipolare la luce visibile proprio in questo modo.
Il risultato, pubblicato su Nature Communications, apre una nuova strada di sviluppo per la nanofotonica, che sfrutta l’interazione tra luce e materia per fare emergere nuovi fenomeni fisici, controllabili in modo molto preciso in termini di risoluzione spaziale. L’innovazione, infatti, sta nell’avere dimostrato che lamelle sottili (pochi miliardesimi di metro) del cristallo riescono a confinare e trasportare al proprio interno la luce visibile senza che si verifichi il fenomeno della diffrazione classica, usata solitamente per trattenere la luce dentro a un materiale. Quello che accade nel materiale è un fenomeno veicolato da polaritoni plasmonici, cioè un’onda ibrida di radiazione e materia, tipici dei metalli. Dal punto di vista delle proprietà ottiche il materiale si comporta in modo diverso a seconda della direzione di interazione con la luce: come un metallo in una direzione e come un mezzo dielettrico, ovvero isolante, nella direzione ortogonale.
Il lavoro pubblicato su Science Advances introduce un metodo per esplorare e manipolare la luce a scale di tempo estremamente brevi (femtosecondi, ovvero un milionesimo di miliardesimo di secondo). Più nel dettaglio si agisce sulla dimensione temporale della luce per avere effetti sulle dimensioni spaziali, ovvero la forma, senza bisogno di intervenire con forze esterne. Il metodo sfrutta il collegamento esistente tra il momento angolare dell’onda elettromagnetica – ovvero la proprietà fisica che descrive come il flusso di energia dell’onda ruota nello spazio – e le frequenze temporali dell’onda. Il gruppo di Ambrosio è riuscito a indurre all’interno dell’onda delle variazioni brevissime (modulazioni), come se fossero degli impulsi, in modo che l’onda stessa cambi la sua distribuzione nello spazio e nel tempo. Grazie a questo metodo, i ricercatori sono stati in grado di generare effetti come traiettorie a spirale ed accelerazioni (auto-accelerazione) della luce. Fenomeni mai prodotti prima.
Il nuovo metodo permette di manipolare la luce, quindi, in modo rapido e preciso, senza necessità di forze esterne. Le sue applicazioni potranno essere nella spettroscopia ultraveloce, o nella manipolazione di nano- e microstrutture, aspetti fondamentali della fisica della materia condensata.
