Recenti studi mostrano che delle quasiparticelle, note come polaritoni plasmonici, possono essere deviate con e contro un flusso di elettroni; una scoperta che potrebbe portare a modi più efficienti di manipolare la luce su scala nanometrica.
Si pensava che la luce si muovesse a una velocità fissa fino al 1851, quando un fisico francese, il primo a cronometrare con precisione la velocità della luce, mostrò che poteva anche essere rallentata o accelerata semplicemente facendo brillare un raggio di luce con o contro il flusso dell’acqua in movimento.
Decenni dopo, Einstein sfruttò gli esperimenti di Hippolyte Fizeau sui tubi dell’acqua per sviluppare la sua teoria della relatività.
Le strane proprietà dei polaritoni
Ora, una nuova ricerca pubblicata su Nature mostra che una quasiparticella composta da onde di fotoni ed elettroni, un polaritone plasmonico, ha una capacità simile di cambiare velocità quando è immersa in una corrente elettrica che scorre attraverso un foglio di grafene.
Ma c’è un intoppo: i polaritoni sembrano spostare più facilmente la marcia in una direzione, a una velocità leggermente inferiore, quando viaggiano contro il flusso di elettroni.
La scoperta è un grosso problema per la plasmonica, un campo dedicato alla ricerca di modi nuovi ed efficienti per controllare la luce fino alla scala quasi invisibile dei singoli atomi, per l’informatica ottica, i nanolaser e altre applicazioni, compresi i modelli di imprinting in semiconduttori.
I polaritoni hanno due vantaggi: la loro velocità relativamente lenta rispetto ai fotoni li rende un buon proxy per la manipolazione della luce, inoltre le onde polaritoni sono minuscole, dozzine possono entrare nella lunghezza d’onda di un fotone.
Dmitri Basov, professore di fisica alla Columbia, ha dedicato la maggior parte del suo laboratorio allo studio del loro comportamento. “I polaritoni possiedono le migliori virtù di elettroni e fotoni“, ha dichiarato. “Sono compatti ma ancora quantistici, il che significa che possono essere manipolati su scale temporali ultraveloci”.
Nel recente studio su Nature, Basov e i suoi colleghi hanno ricreato gli esperimenti di Fizeau su un granello di grafene costituito da un singolo strato di atomi di carbonio. Collegando il grafene a una batteria, hanno creato una corrente elettrica che ricorda l’acqua di Fizeau che scorre attraverso un tubo.
Invece di illuminare l’acqua in movimento, però, e misurarne la velocità in entrambe le direzioni, come ha fatto Fizeau, hanno generato un’onda elettromagnetica con una lunghezza d’onda compressa, un polaritone, focalizzando la luce infrarossa su una protuberanza d’oro nel grafene.
Il flusso di polaritoni attivato assomiglia alla luce ma è fisicamente più compatto a causa delle sue lunghezze d’onda corte.
I ricercatori hanno registrato la velocità dei polaritoni in entrambe le direzioni. Quando hanno viaggiato con il flusso della corrente elettrica, hanno mantenuto la loro velocità originale. Ma lanciati contro corrente, hanno rallentato di qualche punto percentuale.
Un risultato inaspettato.
“Siamo rimasti sorpresi quando l’abbiamo visto”, ha affermato il coautore dello studio Denis Bandurin, ricercatore di fisica al MIT.
“In primo luogo, il dispositivo era ancora vivo, nonostante la forte corrente che ci passava attraverso non era esploso. Poi abbiamo notato l’effetto unidirezionale, che era diverso dagli esperimenti originali di Fizeau”.
I ricercatori hanno ripetuto gli esperimenti più e più volte, guidati dal primo autore dello studio, Yinan Dong, uno studente laureato della Columbia. “Il grafene è un materiale che trasforma gli elettroni in particelle relativistiche”, ha detto Dong. “Dovevamo tenere conto del loro spettro”.
Un gruppo del Berkeley Lab ha trovato un risultato simile, pubblicato nello stesso numero di Nature.
Oltre a riprodurre l’effetto Fizeau nel grafene, entrambi gli studi hanno applicazioni pratiche. La maggior parte dei sistemi naturali sono simmetrici, ma qui i ricercatori hanno trovato un’eccezione interessante.
Basov ha affermato che spera di rallentare e, alla fine, di interrompere il flusso di polaritoni in una direzione. Non è un compito facile, ma potrebbe portare a grandi ricompense.
“Progettare un sistema con un flusso di luce unidirezionale è molto difficile da realizzare”, ha affermato Milan Delor, un chimico fisico che lavora sulle interazioni luce-materia alla Columbia e non è stato coinvolto nella ricerca.
“Non appena puoi controllare la velocità e la direzione dei polaritoni, gli isolatori ottici limitano il rimbalzo della luce in qualsiasi cosa, dai laser ai cavi in fibra ottica a banda larga. Ma sono ingombranti e incompatibili con i moderni nanocircuiti, producono polaritoni, con il potenziale di essere spenti in una direzione”.
I ricercatori della plasmonica sono anche entusiasti delle immagini dettagliate che verranno fuori dagli esperimenti. Mostrano che i polaritoni possono fungere da sonde su nanoscala, hanno affermato, innescando e registrando le interazioni elettrone-elettrone in un sistema.
Queste informazioni forniscono indizi su come si comporteranno il grafene e altri materiali quantistici nel mondo reale.
“Le immagini sono effettivamente una lettura delle proprietà del materiale del grafene”, sostiene Delor.
I fattori abilitanti della nanoottica
“Mi piace definire i polaritoni i fattori abilitanti della nanoottica”, afferma James Schuck, un ingegnere meccanico e ricercatore di plasmonica presso la Columbia Engineering che non è stato coinvolto nel lavoro. “Sono utili per sondare tutti i tipi di materiali su scala nanometrica”.
La maggior parte degli esperimenti sono stati fatti durante la pandemia, i ricercatori indossavano maschere e guanti e disinfettavano il laboratorio dopo ogni visita. “Non c’è stato alcun rallentamento per la fisica quantistica”, afferma Basov, con una risata, evocando Fizeau.
Il nome del fisico francese fu in seguito inciso sulla Torre Eiffel, non per l’effetto che porta il suo nome, ma per avere misurato con precisione la velocità della luce.
Il lavoro di Fizeau è stato reso popolare in una serie di conferenze alla Columbia nel 1906, come Basov ama ricordare agli studenti.
Fizeau è stato anche uno dei primi sperimentatori fotografici. Alcune delle sue spettrali vedute dagherrotipiche dei tetti di Parigi sono conservate dal Metropolitan Museum of Art, non lontano dal campus della Columbia.
