Simmetrie spezzate

RICERCA – Prendiamo una particella in spazio libero che assorbe ed emette luce. Lo farà in modo simmetrico, tanto in un verso quanto nel verso opposto. Alla Vienna University of Technology però hanno trovato il modo di rompere questa simmetria e creare un sistema che fa sì che la luce vada solo da una parte: solo verso destra, o solo verso sinistra. Per riuscirci hanno utilizzato nanoparticelle d’oro e fibra di vetro ultra sottile, 250 volte più sottile di un capello umano.

“L’intero esperimento entra in una scatola da scarpe”, dichiara Arno Rauschenbeutel, a capo del team, fiducioso sulle possibili applicazioni in nanofotonica e nei circuiti ottici ed elettronici del proprio lavoro, pubblicato recentemente su Science. Per realizzare questa sorta di interruttore, i ricercatori austriaci hanno sfruttato l’interazione spin-orbita che permette alla luce di essere indirizzata in un’unica direzione.

La luce ha un momento angolare intrinseco, lo spin, e si comporta in modo simile a un pendolo, che può oscillare sia su un piano, sia compiendo movimenti circolari. Allo stesso modo le onde della luce possono avere differenti direzioni di oscillazione. Se la direzione è ben definita, si parla di onda polarizzata. Se l’oscillazione è circolare, il movimento è simile a quello dell’elica di un aeroplano. Il suo asse di rotazione, corrispondente allo spin, punta nella direzione di propagazione. Di solito la luce oscilla in un piano perpendicolare alla sua direzione di propagazione e una semplice onda piana ha la stessa polarizzazione ovunque. Localmente però la polarizzazione cambia se cambia l’intensità della luce.

Nell’esperimento il diametro della particella e quello della fibra di vetro erano più piccoli della lunghezza d’onda della luce emessa. La luce che si muove attraverso fibra di vetro così sottile ha proprietà molto particolari: la sua intensità è molto alta all’interno della fibra e decresce bruscamente appena ci si sposta all’esterno. Questo dà luogo a una componente di campo aggiuntiva che ha la stessa direzione della fibra. Il piano di rotazione dell’onda luminosa ruota di 90 gradi e la luce si propaga perpendicolarmente allo spin. Il comportamento del fascio di luce diventa simile a quello di una bicicletta, che si muove in direzione perpendicolare all’asse delle proprie ruote.

Guardando una bicicletta e osservando la direzione di rotazione, oraria o antioraria, possiamo dire se la bicicletta sta andando a destra o a sinistra. Lo stesso succede con il fascio di luce nella fibra di vetro: quando una particella accoppiata alla fibra è irradiata con un laser che emette un fascio di luce con un particolare verso di rotazione, la luce emessa dalla particella si propaga solo da un lato della fibra, a destra o a sinistra.

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Crediti immagine: Kevin Dooley, Flickr