Nuovi fasci laser per una nuova fisica ottica

La rifrazione spazio-temporale sfida quanto imposto dal principio di Fermat e offre delle nuove opportunità per modellare il flusso della luce e di altri fenomeni ondulatori.

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In una ricerca pubblicata su Nature Photonics, un gruppo di scienziati ha diffuso uno studio in cui viene descritta la creazione di una nuova tipologia di fascio laser, che sembra violare le note leggi della fisica ottica. Questi nuovi fasci, denominati dagli scienziati pacchetti d’onda spazio-temporali, seguono delle regole di rifrazione differenti, il che potrebbe condurre a nuove tecnologie nel campo della comunicazione.

Come noto, la velocità della luce dipende dal mezzo all’interno del quale essa si propaga, muovendosi molto più lentamente nei materiali più densi. Questo fenomeno è osservabile nel noto esperimento del cucchiaio all’interno di un bicchiere d’acqua: alla superficie dell’acqua, il cucchiaio sembrerà rotto, a un osservatore esterno. Questo effetto si verifica perché, all’interno dell’acqua, la velocità della luce è inferiore rispetto che nell’aria, e, quando entrano in acqua, i raggi di luce si piegano – un fenomeno conosciuto come legge di Snell.

Ma i nuovi raggi laser non solo non seguono la legge di Snell, ma, secondo il gruppo di scienziati che li ha studiati, nemmeno il principio di Fermat, per il quale la luce segue sempre il minimo percorso possibile.

Ayman Abouraddy, coordinatore dello studio, afferma che questa nuova tipologia di fasci laser possiede delle singolari proprietà, che non si trovano nei fasci laser comunemente conosciuti. Questi pacchetti d’onda spazio-temporali possono essere predisposti in modo da comportarsi secondo le usuali leggi dell’ottica; possono essere costruiti in modo da non modificare mai la loro velocità, o addirittura, in modo da accelerare all’interno di mezzi più densi. In questo modo, questi impulsi di luce possono raggiungere contemporaneamente punti diversi nello spazio.

Questa nuova tipologia di fasci di luce avrebbe delle implicazioni rilevanti nell’ambito delle tecnologie di comunicazione ottica. Il gruppo espone l’esempio di un aereo che trasmette dei messaggi codificati con la luce a due sottomarini, che si trovano alla stessa profondità, ma a distanza reciproca diversa. Con i fasci di luce normali, il messaggio arriverebbe prima al sottomarino più vicino, ma, utilizzando i nuovi pacchetti d’onda spazio-temporali, gli impulsi potrebbero propagarsi in modo da raggiungere contemporaneamente entrambi i sottomarini.



Sebbene possa sembrare che questa tecnologia contraddica alcune leggi di base della fisica, il gruppo di studio ritiene che invece essa sia in linea con i presupposti della relatività speciale. Questo perché non vengono prese in considerazione le stesse oscillazioni delle onde di luce; piuttosto viene controllata la velocità alla quale viaggiano i picchi degli impulsi di luce. Questa situazione si ottiene utilizzando un dispositivo chiamato modulatore di luce spaziale, il quale riorganizza l’energia di ogni impulso di luce in modo che esso intrecci le sue proprietà nello spazio e nel tempo.

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