Svolta nella tecnologia dei risonatori ottici grazie ai ricercatori del gruppo di Federico Capasso della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).
Sogna in grande, metti in discussione tutto ciò che sappiamo, metti in discussione i libri di testo”, afferma Vincent Ginis, professore in visita presso SEAS e primo autore di un nuovo articolo su Nature Communications che segna una svolta nella tecnologia dei risonatori ottici. “È così che Federico Capasso – aggiunge – Ginis – chiede al nostro team di laboratorio di lavorare. Ci sfida a ripensare tutte le regole classiche per vedere se possiamo fare in modo che i dispositivi facciano le cose meglio e in modi nuovi“.
Questo approccio ha portato all’ultimo risultato del team, un risonatore ottico in grado di manipolare la luce in modi mai osservati prima. La svolta potrebbe influenzare il modo in cui i risonatori vengono compresi e aprire le porte a nuove capacità.
Il ruolo chiave dei risonatori ottici
“I risonatori sono componenti centrali nella maggior parte delle applicazioni di ottica, laser, microscopia, rilevamento: appaiono in tutte queste tecnologie come elementi costitutivi essenziali”, afferma Ginis, che è anche assistente professore di matematica e fisica presso la Vrije Universiteit Brussel. “Sono costituiti da due riflettori che fanno rimbalzare la luce avanti e indietro, concentrando la luce nei laser, ad esempio, o filtrando le frequenze della luce come nelle fibre ottiche e nelle telecomunicazioni”. I risonatori ottici sono fondamentali per le trasmissioni di telecomunicazioni, codificando immagini e audio attraverso le frequenze della luce.
“Ogni messaggio, da tenere separato dagli altri, è codificato su una sua specifica frequenza”, dice Ginis. “I risonatori ci consentono di registrare frequenze esatte e uniche per consentire la trasmissione simultanea di molti messaggi diversi.”
Fino ad ora, i risonatori e i due specchi riflettenti al loro interno controllavano l’intensità e la frequenza della luce, ma non la modalità della luce, che determina la forma e il modo in cui i fotoni fluiscono attraverso lo spazio e il tempo.
Spesso pensiamo alla luce come se si muovesse come una linea retta, ma i raggi di luce sono anche in grado di viaggiare in altri modi, come le spirali. Il nuovo risonatore ottico sviluppato dal team di Capasso è il primo dispositivo di questo tipo che offre agli scienziati un controllo preciso sulla modalità della luce e, cosa ancora più importante, consente l’esistenza di luce accoppiata multimodale all’interno del risonatore.
Il team ha raggiunto questo obiettivo incidendo un nuovo pattern sulla superficie dei riflettori a ciascuna estremità del dispositivo risonatore.
“Ci siamo resi conto che potevamo testare il nostro nuovo concetto di risonatore in una piattaforma fotonica integrata e abbiamo scelto il silicio su isolante, utilizzato da molti scienziati e aziende per applicazioni come il rilevamento o le comunicazioni”, afferma Cristina Benea-Chelmus, ricercatrice socio del gruppo Capasso e assistente professore di microingegneria presso l’Istituto di Elettro e Microingegneria dell’EPFL, che ha guidato la parte sperimentale del lavoro.
Le incisioni, di circa 300-600 nanometri, hanno dato al team il controllo sulla forma dei raggi di luce all’interno del risonatore. L’uso di riflettori con motivi diversi su entrambe le estremità del risonatore ha sbloccato la loro capacità di cambiare la forma della luce mentre si muove.
“Possiamo far giocare queste modalità di luce tra loro, trasformando una modalità in un’altra, e poi di nuovo nella prima modalità, creando loop di diverse modalità di luce che si muovono attraverso lo stesso spazio”, dice Ginis. “Quando l’abbiamo visto, ci siamo resi conto che eravamo in ‘terra incognita’ qui.”
La combinazione di più di una modalità di luce crea ciò che i ricercatori hanno definito una “supermodalità”.
“Nei risonatori tradizionali, mentre la luce si muove avanti e indietro, la modalità è sempre la stessa: le proprietà della luce sono sempre simmetriche”, afferma. “Nel nostro, mentre la luce va da sinistra a destra o da destra a sinistra, le modalità sono diverse. Abbiamo capito come rompere la simmetria all’interno di un risonatore.
“Il controllo multimodale della luce avrà un enorme impatto sulla larghezza di banda delle informazioni che possono essere trasmesse utilizzando la luce“, afferma. “Apre molti canali di trasmissione a cui non siamo stati in grado di accedere contemporaneamente fino ad ora.”
Il risonatore ottico del team Capasso fornisce un nuovo strumento per condurre esperimenti di fisica fondamentale, inclusa l’optomeccanica, utilizzando la luce per far muovere le cose.
“Posizionando un oggetto all’interno di un risonatore, puoi manipolare materiali come minuscoli atomi, molecole e filamenti di DNA”, afferma Ginis. Il nuovo dispositivo, con le sue capacità supermode, potrebbe sbloccare nuovi gradi di libertà per i ricercatori per manipolare materiali minuscoli con diverse forme di fasci di luce.
L’Office of Technology Development di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale derivante dalle innovazioni dei risonatori ottici del Capasso Lab e sta esplorando opportunità di commercializzazione.
Altri autori includono il borsista post-dottorato Jinsheng Lu e il ricercatore associato Marco Piccardo.
