Il cielo è il limite per il metodo ispirato alle nuvole per guidare la luce

Gli scienziati si sono ispirati al modo in cui la luce del sole attraversa le nuvole per scoprire un modo completamente nuovo di controllare e guidare la luce.

Questa ricerca rivoluzionaria, guidata dai fisici dell’Università di Glasgow, consente di guidare le onde luminose lungo percorsi curvi attraverso materiali opachi che normalmente le disperderebbero in tutte le direzioni.

Potrebbe trovare applicazioni nelle future generazioni di tecnologie di imaging medico, offrendo ai medici nuovi modi per osservare l’interno del corpo umano.

Potrebbe anche essere adattato per guidare il calore invece della luce, aprendo nuove applicazioni nella gestione termica dei sistemi informatici e per confinare particelle come i neutroni invece delle onde luminose, il che potrebbe trovare impiego nelle tecnologie nucleari.

L’effetto “waveguiding” scoperto dal team è analogo a quello del cavo in fibra ottica, che trasporta la luce attraverso il suo nucleo utilizzando un processo chiamato riflessione interna totale. Nella fibra ottica, il nucleo è circondato da un materiale di rivestimento con un indice di rifrazione inferiore, che mantiene la luce rimbalzante lungo la lunghezza del nucleo, consentendole di percorrere lunghe distanze con una perdita minima.

Il nuovo meccanismo di guida d’onda dei ricercatori si basa invece su un processo fisico molto diverso. Invece, la luce viene trasportata attraverso un nucleo solido di materiale debolmente disperdente, che a sua volta è racchiuso in un materiale che disperde molto più fortemente. Il contrasto tra le proprietà di disperdente dei materiali confina la luce al nucleo e consente di guidarla con una precisione inaspettatamente elevata.

La ricerca, presentata in un nuovo articolo pubblicato su Nature Physics, è stata stimolata dalle discussioni di laboratorio sulle nuvole, afferma l’autore corrispondente dell’articolo, il professor Daniele Faccio.

Il professor Faccio, che dirige il gruppo di ricerca Extreme Light dell’Università di Glasgow, ha affermato: “Le alte nubi cumuliformi sono spesso di un bianco brillante nel punto più alto e di un grigio scuro in quello più basso perché la luce del sole viene diffusa attraverso le innumerevoli gocce d’acqua contenute all’interno della nube. La luce decade esponenzialmente mentre si diffonde attraverso la nube, rendendo la parte inferiore più scura, e viene riflessa nella parte superiore, che la rende bianca.

“Abbiamo iniziato a chiederci se fosse possibile sfruttare quell’effetto di dispersione in modo controllato e usarlo per creare un percorso per guidare la luce attraverso i materiali di dispersione“.

Il team ha utilizzato una stampante 3D per realizzare strutture in resina bianca opaca ad alta dispersione con un nucleo a bassa dispersione e ha iniziato a sperimentare la guida della luce attraverso le strutture.

Hanno scoperto che era possibile trasmettere più di 100 volte più luce attraverso il nucleo a bassa dispersione rispetto alle strutture che ne erano prive. Hanno mostrato il fenomeno con strutture sia dritte che curve, che mostrano entrambe l’effetto.

Il team ha anche sviluppato un modello matematico completo per spiegare i processi fisici di diffusione che sostengono i loro risultati. Sorprendentemente, il modello è molto simile alle equazioni che spiegano il trasporto di calore attraverso materiali solidi. Grazie a questo crossover, i ricercatori si aspettano che la loro nuova tecnica possa avere un uso più ampio oltre la luce.

Il professor Faccio, della facoltà di fisica e astronomia dell’università, ha aggiunto: “È straordinario che persino in campi consolidati come l’ottica, ci sia sempre spazio per nuove scoperte fondamentali. Quando abbiamo iniziato a pensare alle nuvole, non ci aspettavamo necessariamente di scoprire un metodo completamente nuovo di guida d’onda, ma è lì che ci hanno portato i nostri esperimenti.

“Stiamo ancora imparando nuovi trucchi sulla luce, in questo caso attraverso un processo che, con nostra sorpresa, abbiamo scoperto avere più in comune con la nostra comprensione del modo in cui viaggia il calore che con la luce.

“Ciò significa che possiamo aspettarci di usare questa tecnica per trovare nuovi modi di vedere all’interno di tessuti biologici opachi usando la luce, ma anche che possiamo applicarla per guidare più di semplici fotoni. Potremmo creare nuovi modi per trasportare calore attraverso sistemi che devono essere raffreddati, come i computer dei centri dati, o per trasportare particelle come i neutroni, il che potrebbe aprire nuove applicazioni per le centrali nucleari, ad esempio.”

Il dott. Kevin Mitchell, membro del gruppo di ricerca Extreme Light e autore principale del documento, ha affermato: “La forza di questo documento deriva dall’approccio completo che abbiamo adottato per esplorare la possibilità di un approccio completamente nuovo alla luce guida. Siamo partiti da una domanda chiave, l’abbiamo dimostrata sperimentalmente, quindi l’abbiamo provata matematicamente con vero rigore. Ora che abbiamo costruito una solida base pratica e teorica, continueremo a esplorare come possiamo trovare nuovi modi per utilizzarla in futuro“.

Anche il Prof. Ewan Wright dell’Università dell’Arizona ha contribuito alla ricerca. L’articolo del team, intitolato “Energy transport in diffusive waveguides“, è pubblicato su Nature Physics. La ricerca è stata supportata da finanziamenti della Royal Academy of Engineering, dell’Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) e di UK Research and Innovation.

Per ulteriori informazioni contattare Ross Barker del team Relazioni esterne dell’Università di Glasgow all’indirizzo 

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