Uno scienziato israeliano apre nuove prospettive per le tecnologie della luce

Un ricercatore israeliano ha contribuito allo sviluppo di una tecnologia ottica innovativa in grado di dirigere e rimodellare fasci di luce in appena 74 femtosecondi — ovvero 74 quadrilionesimi di secondo — un progresso che potrebbe favorire lo sviluppo futuro di sistemi di calcolo ottico, comunicazioni, imaging e rilevamento basati sulla luce.

La capacità di controllare la luce è alla base di tecnologie che vanno dalle fotocamere ai sensori, fino ai sistemi di comunicazione e ai computer avanzati. Tuttavia, i componenti utilizzati per dirigere e modellare la luce generalmente operano a velocità molto inferiori rispetto alla luce stessa. Il nuovo studio presenta un metodo per superare questo limite attraverso una superficie ottica programmabile ultr sottile, capace di deviare e modificare la forma di un fascio luminoso in soli 74 femtosecondi.

Il dottor Lior Michaeli, responsabile del Laboratorio di Meta-Ottomeccanica presso la Facoltà di Ingegneria Fleischman dell’Università di Tel Aviv, è coautore dello studio pubblicato sulla rivista scientifica sottoposta a revisione paritaria Nature Nanotechnology. La ricerca dimostra l’esistenza di una nuova superficie ottica ultrasottile in grado di controllare la luce quasi istantaneamente.

La ricerca è stata condotta presso il California Institute of Technology (Caltech) nel gruppo del professor Harry Atwater. È stata guidata dal dottor Claudio Hail, oggi membro della facoltà dell’Università della California, Berkeley, con la collaborazione di Michaeli.

Al centro della scoperta c’è una metasuperficie: uno strato di materiale estremamente sottile ricoperto da strutture in silicio progettate con precisione su scala nanometrica, più piccole della lunghezza d’onda della luce. Quando viene colpita da un breve impulso laser, queste strutture in silicio modificano temporaneamente le loro proprietà ottiche, consentendo alla superficie di cambiare rapidamente il percorso e la forma di un altro fascio luminoso senza utilizzare specchi mobili, lenti o altri componenti meccanici.

Negli esperimenti di laboratorio, i ricercatori hanno deviato il fascio luminoso fino a 13 gradi in entrambe le direzioni. Modificando il modello spaziale dell’impulso luminoso utilizzato per illuminare la superficie, sono inoltre riusciti a rimodellare il fascio e creare diversi schemi di luce. In altre parole, lo stesso dispositivo può svolgere funzioni ottiche differenti a seconda del modo in cui viene illuminato.

«L’idea fondamentale era creare una metasuperficie la cui risposta ottica non fosse fissa una volta fabbricata», ha spiegato Hail. «Modificando il modello di illuminazione, possiamo riconfigurare il modo in cui il dispositivo dirige e modella la luce, e farlo su una scala temporale ultrarapida.»

Atwater ha spiegato che controllare un fascio luminoso utilizzandone un altro è stato storicamente difficile perché la luce interagisce solo debolmente con la maggior parte dei materiali.

«La luce normalmente interagisce solo debolmente con la materia, quindi controllare un fascio di luce con un altro è estremamente difficile», ha detto. «La metasuperficie rafforza questa interazione, permettendo a una risposta del materiale molto piccola e molto rapida di produrre un cambiamento utile nel fascio in uscita.»

Michaeli ha affermato che il progetto ha dimostrato come un concetto teorico possa trasformarsi in una realtà sperimentale.

«Per me, l’aspetto più entusiasmante è vedere un’idea che ci accompagnava da anni diventare una realtà sperimentale», ha dichiarato. «L’effetto ultrarapido che volevamo sfruttare è naturalmente molto debole. Abbiamo dovuto progettare la metasuperficie in modo che amplificasse l’effetto abbastanza non solo da poterlo misurare, ma anche da utilizzarlo per dirigere e modellare la luce.»

Il tempo di commutazione misurato era vicino alla durata stessa dell’impulso laser, suggerendo che potrebbero essere possibili operazioni ancora più rapide utilizzando impulsi più brevi. Il dispositivo, inoltre, non contiene parti mobili e ritorna rapidamente allo stato originale una volta terminato l’impulso.

Oggi molti sistemi che utilizzano la luce per le comunicazioni si basano ancora sulla conversione dei segnali ottici in segnali elettrici per l’elaborazione, prima di riconvertirli nuovamente in luce. Un controllo ottico più rapido e programmabile potrebbe in futuro ridurre questa necessità e consentire che una maggiore quantità di elaborazione delle informazioni avvenga direttamente attraverso la luce.

«Questo lavoro indica un’opportunità più ampia: utilizzare strutture progettate artificialmente per rafforzare le interazioni tra luce e materia e trasformarle in strumenti per il controllo, il rilevamento e l’elaborazione delle informazioni», ha affermato Michaeli. «Questo è strettamente collegato alle linee di ricerca che stiamo ora sviluppando presso l’Università di Tel Aviv.»