Nato da una collaborazione internazionale guidata da un italiano e in collaborazione con l’Università degli Studi di Brescia e dell’Aquila, lo studio è stato pubblicato su Nature Photonics.
Lo sviluppo di un interruttore capace di controllare e modificare le caratteristiche della luce in modo ultraveloce, 100mila volte più rapidamente di quanto possibile finora, è il risultato di una collaborazione internazionale guidata dall’italiano Marcello Ferrera, della Heriot-Watt University in Scozia, con Maria Antonietta Vincenti, Domenico de Ceglia, e Michael Scalora, dell’Università di Brescia, Carlo Rizza, dell’Università dell’Aquila, e ricercatori della Purdue negli States
Una scoperta pubblicata sulla rivista Nature Photonics che apre le porte ai transistor ottici, i mattoni base per costruire sistemi di calcolo ultraveloci e reti di comunicazione completamente fotoniche.
”La luce ha una proprietà nascosta chiamata polarizzazione, cioè la direzione in cui le onde oscillano. Non la vediamo, ma è fondamentale per comunicazioni, imaging e sensori, e per distinguere molecole “chirali”, che troviamo in moltissimi farmaci e marcatori biologici” – ha spiegato Ferrera. “Nel nostro lavoro mostriamo che possiamo modellare questa proprietà in modo arbitrario usando la luce stessa. Un fascio luminoso diventa uno scalpello che fa oscillare le onde come vogliamo, trasformando la luce in una chiave su misura per esplorare molecole e materiali.”
Transistor ottici, il funzionamento
Il dispositivo si comporta come uno scultore ultraveloce che a comando scolpisce diverse forme su dei blocchi trasportati da un nastro che si muove alla velocità della luce. I blocchi corrispondono ai fotoni, le particelle costituenti la luce, e le diverse forme si riferiscono al modo con cui le onde luminose vibrano, ovvero la polarizzazione.
Questa operazione di ‘modellamento’ della luce avviene su scale temporali di pochi miliardesimi di milionesimi di secondo (femtosecondi). Al centro del sistema usato, c’è un “controllore di polarizzazione dinamico” composto da una sottilissima pellicola di ossido di zinco alluminato conduttivo (AZO) le cui caratteristiche, ossia la capacità di alterare il modo in cui la luce oscilla, vengono controllate da un fascio laser esterno, senza dover usare ingombranti magneti o lenti circuiti elettrici.
Allo stesso tempo il dispositivo permette di modificare la polarizzazione in modo dinamico in base all’intensità del laser: “in questo modo, ‘programmiamo’ il materiale con la luce stessa, ottenendo temporaneamente un dispositivo che risponde in modo diverso a seconda della direzione di propagazione della luce: per qualche femtosecondo, il film diventa una sorta di diodo completamente ottico” – ha aggiunto de Ceglia.
Una delle maggiori sfide nel settore della fotonica è proprio il controllo dello stato di polarizzazione della luce su scale di tempo molto brevi, in particolare nella realizzazione di dispositivi a banda larghissima.
“Questo dispositivo, capace di modulare la luce a velocità incredibilmente elevate – fino a centomila volte superiori rispetto a componenti elettro-ottici attuali – rappresenta un progresso di straordinaria importanza” – ha aggiunto Vincenti.
“Fino a poco tempo fa – ha commentato Rizza – si controllava la luce strutturando la materia nello spazio. Con questa piattaforma si aprono nuovi modi di manipolare la luce agendo sulle proprietà del materiale nel tempo”.
È come avere un materiale ‘camaleonte’ che cambia funzione a comando, senza alcuna struttura o risonanza. Una libertà progettuale apre la strada a componenti ottici programmabili, metasuperfici dinamiche e dispositivi non reciproci che funzionano a frequenze e velocità finora irraggiungibili.
“Per la prima volta – conclude Scalora – mostriamo che la luce può controllare sé stessa, trasformando un materiale piatto e uniforme in un dispositivo programmabile che cambia funzione miliardi di volte al secondo”.
