Usare il disordine per controllare la luce con precisione nanometrica

Un reticolo fotonico disordinato attraversato da raggi di luce. Foto Nicoletta Barolini
Un gruppo di ricercatori americani è riuscito in un'impresa che potrebbe portare a importanti innovazioni in campo tecnologico. I ricercatori sono infatti riusciti a controllare la luce a una lunghezza d'onda di circa 500 nanometri - più corta perfino della lunghezza d'onda della luce stessa - usando reticoli cristallini disordinati per compensare la diffrazione della luce. La ricerca potrebbe permettere un trasferimento più preciso di informazioni tra i chip dei computer e portare a nuove tecniche in grado di rendere i laser ancor più precisi e sottili, evitando cioè che la loro luce si diffonda.
Allo studio, guidato da Chee Wei Wong della UCLA, hanno partecipato anche scienziati della Columbia University e di altri istituti.
Quando puntiamo una torcia contro un muro, ciò che vediamo non è un cerchio luminoso grande quanto la torcia stessa, ma un grande alone di luce. Più ci allontaniamo, più l'alone diventa grande, cioè più la luce si diffrange e si disperde. Lo stesso fenomeno avviene anche su scale ben più piccole, grandi quanto un miliardesimo di metro: i nanometri. La luce può essere usata per trasportare informazioni, ad esempio attraverso i chip di un computer o i cavi della fibra ottica, ma la diffrazione tende a deteriorare questo trasferimento di dati, "sporcando" le informazioni.
Da ciò si capisce bene come una tecnologia in grado di compensare la diffrazione e controllare con maggiore precisione la luce possa essere impiegata per migliorare le comunicazioni ottiche. I miglioramenti consentiti da una simile tecnologia si potrebbero misurare in quasi ogni aspetto della nostra vita, dall'uso di dispositivi elettronici alla medicina.
Per controllare la luce sulla nanoscala, i ricercatori hanno utilizzato un reticolo fotonico, un lattice cristallino in grado di far passare la luce. Il reticolo preso in esame era del tutto disordinato, con migliaia di buchi ettagonali, quadrati e triangolari. I buchi, tutti più piccoli della lunghezza d'onda della luce in transito, hanno fatto da indicazioni stradali ai singoli raggi di luce.
Gli ingegneri avevano già sperimentato questa tecnica usando reticoli uniformi, scoprendo che erano in grado di controllare in qualche modo la diffrazione spaziale. Ma, ripetendo l'esperimento, hanno scoperto che strutture disordinate riescono a controllarla ancor meglio, facendo collimare il raggio di luce in un unico, sottilissimo cammino. La struttura, secondo i ricercatori, può essere impiegata in un'ampia porzione dello spettro infrarosso.
Il risultato, in realtà, non è una grande sorpresa: l'aveva già previsto nel 1958 il fisico Philip Anderson. La scoperta gli era valsa il premio Nobel, ma mai la sua idea era stata trasportata dalla teoria al mondo reale. Inoltre, questo fenomeno non era mai stato impiegato in un mezzo cristallino fotonico su scala nanometrica come hanno fatto i ricercatori in questo nuovo esperimento.
"Questo studio ci permette di validare la teoria della localizzazione di Anderson nella fotonica nanometrica, attraverso la casualità ingegneristica all'interno di una struttura altrimenti periodica," ha spiegato Wong. "Ciò che abbiamo osservato ci fornisce una nuova tecnica per controllare la propagazione della luce sulla scala delle lunghezze d'onda."
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