Un nuovo studio in Nature Photonics descrive in dettaglio le proprietà uniche del raggio laser sviluppato da UCF.
La velocità di un messaggio che viaggia in questi pacchetti non è più influenzata dal viaggio attraverso materiali diversi di diversa densità.
I ricercatori della University of Central Florida hanno sviluppato un nuovo tipo di raggio laser che non segue i principi di vecchia data su come la luce si rifrange e viaggia. I risultati, che sono stati pubblicati di recente su Nature Photonics , potrebbero avere enormi implicazioni per la comunicazione ottica e le tecnologie laser.
"Questa nuova classe di raggi laser ha proprietà uniche che non sono condivise dai raggi laser comuni", afferma Ayman Abouraddy, professore al College of Optics and Photonics dell'UCF e principale ricercatore dello studio.
I raggi, noti come pacchetti d'onda dello spaziotempo, seguono regole diverse quando si rifrangono, cioè quando attraversano materiali diversi. Normalmente, la luce rallenta quando viaggia in un materiale più denso.
"Al contrario, i pacchetti d'onda dello spaziotempo possono essere organizzati in modo da comportarsi nel modo consueto, per non cambiare affatto la velocità, o addirittura per accelerare in modo anomalo nei materiali più densi", dice Abouraddy. "In quanto tali, questi impulsi di luce possono arrivare contemporaneamente in diversi punti dello spazio."
"Pensa a come un cucchiaio all'interno di un bicchiere pieno d'acqua sembra rotto nel punto in cui l'acqua e l'aria si incontrano", dice Abouraddy. “La velocità della luce nell'aria è diversa dalla velocità della luce nell'acqua. E così, i raggi di luce finiscono per piegarsi dopo aver attraversato la superficie tra aria e acqua, e quindi apparentemente il cucchiaio sembra piegato. Questo è un fenomeno ben noto descritto dalla legge di Snell. "
Sebbene la legge di Snell si applichi ancora, il cambiamento alla base della velocità degli impulsi non è più applicabile ai nuovi raggi laser, dice Abouraddy. Queste abilità sono in contrasto con il principio di Fermat che dice che la luce viaggia sempre in modo tale da prendere il percorso più breve, dice.
"Quello che troviamo qui, però, non importa quanto siano diversi i materiali attraverso i quali passa la luce, esiste sempre uno dei nostri pacchetti d'onda dello spaziotempo che potrebbe attraversare l'interfaccia dei due materiali senza modificarne la velocità", dice Abouraddy. "Quindi, indipendentemente dalle proprietà del supporto, passerà attraverso l'interfaccia e continuerà come se non fosse lì."
Per la comunicazione, ciò significa che la velocità di un messaggio che viaggia in questi pacchetti non è più influenzata dal viaggio attraverso materiali diversi di diversa densità.
"Se pensi a un aereo che cerca di comunicare con due sottomarini alla stessa profondità ma uno è lontano e l'altro è vicino, quello più lontano subirà un ritardo maggiore di quello vicino", dice Abouraddy. “Troviamo che possiamo fare in modo che i nostri impulsi si propagino in modo tale che arrivino ai due sottomarini contemporaneamente. Infatti ora la persona che invia l'impulso non ha nemmeno bisogno di sapere dove si trova il sottomarino, purché alla stessa profondità. Tutti quei sottomarini riceveranno l'impulso allo stesso tempo in modo che tu possa sincronizzarli alla cieca senza sapere dove si trovano. "
Il team di ricerca di Abouraddy ha creato i pacchetti d'onda dello spaziotempo utilizzando un dispositivo noto come modulatore di luce spaziale per riorganizzare l'energia di un impulso di luce in modo che le sue proprietà nello spazio e nel tempo non siano più separate. Ciò consente loro di controllare la "velocità di gruppo" dell'impulso di luce, che è all'incirca la velocità alla quale viaggia il picco dell'impulso.
Il lavoro precedente ha dimostrato la capacità del team di controllare la velocità di gruppo dei pacchetti d'onda dello spaziotempo, anche nei materiali ottici. L'attuale studio si è basato su quel lavoro scoprendo che potevano anche controllare la velocità dei pacchetti d'onda dello spaziotempo attraverso diversi media. Ciò non contraddice in alcun modo la relatività speciale, perché si applica alla propagazione del picco dell'impulso piuttosto che alle oscillazioni sottostanti dell'onda luminosa.
"Questo nuovo campo che stiamo sviluppando è un nuovo concetto di fasci di luce", afferma Abouraddy. “Di conseguenza, tutto ciò che esaminiamo nell'utilizzo di queste travi rivela un nuovo comportamento. Tutto il comportamento che conosciamo della luce assume davvero tacitamente la presunzione di fondo che le sue proprietà nello spazio e nel tempo siano separabili. Quindi, tutto ciò che sappiamo in ottica si basa su questo. È un presupposto integrato. È considerato lo stato naturale delle cose. Ma ora, rompendo questo presupposto sottostante, stiamo iniziando a vedere nuovi comportamenti ovunque ".
Co-autori dello studio sono stati Basanta Bhaduri, autore principale ed ex ricercatore presso il College of Optics and Photonics della UCF, ora con Bruker Nano Surfaces in California, e Murat Yessenov, un dottorando al college.
Bhaduri si è interessato alla ricerca di Abouraddy dopo averne letto su riviste, come Optics Express e Nature Photonics , ed è entrato a far parte del team di ricerca del professore nel 2018. Per lo studio, ha contribuito a sviluppare il concetto e progettato gli esperimenti, oltre a effettuare misurazioni e analizzato i dati.
Dice che i risultati dello studio sono importanti in molti modi, comprese le nuove strade di ricerca che apre.
"La rifrazione spazio-temporale sfida le nostre aspettative derivate dal principio di Fermat e offre nuove opportunità per modellare il flusso di luce e altri fenomeni ondulatori", afferma Bhaduri.
I ruoli di Yessenov includevano analisi dei dati, derivazioni e simulazioni. Dice di essersi interessato al lavoro volendo esplorare di più sull'entanglement, che nei sistemi quantistici è quando due oggetti ben separati hanno ancora una relazione tra loro.
"Riteniamo che i pacchetti d'onda dello spaziotempo abbiano di più da offrire e molti altri effetti interessanti possono essere svelati utilizzandoli", afferma Yessenov.
Abouraddy afferma che i prossimi passi per la ricerca includono lo studio dell'interazione di questi nuovi raggi laser con dispositivi come cavità laser e fibre ottiche, oltre ad applicare queste nuove intuizioni alla materia piuttosto che alle onde luminose.
Riferimento: "Rifrazione anomala dei pacchetti d'onda dello spaziotempo ottico" di Basanta Bhaduri, Murat Yessenov e Ayman F. Abouraddy, 22 giugno 2020, Nature Photonics .
DOI: 10.1038 / s41566-020-0645-6
La ricerca è stata finanziata dall'ufficio statunitense di ricerca navale.
Bhaduri ha conseguito il dottorato in fisica (ottica applicata) presso l'Indian Institute of Technology di Madras, in India. È stato ricercatore presso l'UCF prima di trasferirsi recentemente alla Bruker Nano Surfaces in California, dove è ingegnere ottico dello staff senior.
Yessenov ha conseguito la laurea in fisica presso l'Università Nazabayev, in Kazakistan, ed è entrato a far parte del gruppo di Abouraddy nel 2017.
Abouraddy ha conseguito il dottorato in ingegneria elettrica presso la Boston University e ha lavorato come ricercatore post-dottorato presso il Massachusetts Institute of Technology. È entrato a far parte di UCF nel 2008.
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