Credit: Technion - Israel Institute of Technology

Introduzione

Un team di ricercatori della Technion – Israel Institute of Technology – ha osservato per la prima volta un flusso luminoso ramificato. I risultati sono pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Nature e sono presentati sulla copertina del numero del 2 luglio 2020.

Anatoly Patsyk

Lo studio è stato condotto dal dottorando Anatoly (Tolik) Patsyk in collaborazione con Miguel A. Bandres, borsista post-dottorato alla Technion quando il progetto è iniziato ed è ora assistente professore al CREOL, College of Optics and Photonics, University of Central Florida. La ricerca è stata condotta dal Presidente della Technion Prof. Uri Sivan e dal Distinguished Prof. Mordechai (Moti) Segev delle Facoltà di Fisica e Ingegneria Elettrica della Technion, del Solid State Institute e del Russell Berrie Nanotechnology Institute.

Il primo branched flow osservato

Quando le onde viaggiano attraverso paesaggi che contengono interferenza, disturbi, si disperdono naturalmente, spesso in tutte le direzioni. La dispersione della luce è un fenomeno naturale, presente in molti luoghi della natura. Ad esempio, la dispersione della luce è la ragione del colore blu del cielo.

Assistant Professor Miguel Bandres. Foto: Nitzan Zohar, portavoce di Technion

A quanto pare, quando la lunghezza su cui variano le perturbazioni è molto più grande della lunghezza d’onda, l’onda si diffonde in modo insolito: forma canali (rami) di maggiore intensità che continuano a dividersi o a diramarsi, man mano che l’onda si propaga. Questo fenomeno è noto come branched flow, letteralemente flusso ramificato. È stato osservato per la prima volta nel 2001 negli elettroni ed è stato suggerito che sia onnipresente e che si verifichi anche per tutte le onde della natura, ad esempio le onde sonore e persino le onde dell’oceano. Ora i ricercatori della Technion stanno portando il flusso ramificato nel dominio della luce: hanno fatto un’osservazione sperimentale del flusso ramificato della luce.

Abbiamo sempre avuto l’intenzione di trovare qualcosa di nuovo ed eravamo ansiosi di trovarlo. Non era quello che abbiamo iniziato a cercare, ma abbiamo continuato a cercare e abbiamo trovato qualcosa di molto migliore“, dice l’Asst. Prof. Miguel Bandres. “Conosciamo bene come le onde si diffondono quando si propagano attraverso un mezzo omogeneo. Ma in altre situazioni, le onde possono comportarsi in modo molto diverso. Quando abbiamo un mezzo disordinato in cui le variazioni non sono casuali ma omogenee, come un paesaggio di montagne e valli, le onde si propagano in modo particolare. Esse formeranno canali che continuano a dividersi man mano che l’onda si propaga, formando un bellissimo disegno che assomiglia ai rami di un albero“.

Raggio laser e membrana di sapone

Nella loro ricerca, il team ha accoppiato un raggio laser a una membrana di sapone, che contiene variazioni casuali dello spessore della membrana. Hanno scoperto che quando la luce si propaga all’interno della pellicola di sapone, invece di disperdersi, la luce forma rami allungati, creando il fenomeno del flusso ramificato della luce.

Osservazione del flusso di luce ramificato. Credit: Techion – Israel Institute of Technology 

Nell’ottica di solito lavoriamo duramente per far sì che la luce rimanga focalizzata e si propaghi come un fascio collimato, ma qui la sorpresa è che la struttura casuale della pellicola di sapone ha fatto sì che la luce rimanesse naturalmente focalizzata. È un’altra delle sorprese della natura“, dice Tolik Patsyk.

Si aprono nuovi orizzonti

Il presidente della Technion, il professor Uri Sivan

La capacità di creare un flusso ramificato nel campo dell’ottica offre nuove ed entusiasmanti opportunità per indagare e comprendere questo fenomeno dell’onda universale.

Non c’è niente di più eccitante che scoprire qualcosa di nuovo e questa è la prima dimostrazione di questo fenomeno con le onde luminose“, dice il presidente della Technion Prof. Uri Sivan. “Questo dimostra che fenomeni intriganti possono essere osservati anche in sistemi semplici e bisogna solo essere abbastanza perspicaci da scoprirli. Per questo motivo, riunire e combinare i punti di vista di ricercatori di diversa provenienza e disciplina ha portato ad alcune intuizioni davvero interessanti“.

Il fatto di osservarla con le onde luminose apre notevoli nuove possibilità di ricerca, a partire dal fatto che possiamo caratterizzare il mezzo in cui la luce si propaga ad altissima precisione e dal fatto che possiamo anche seguire quei rami con precisione e studiarne le proprietà“, aggiunge.

Membrane liquide sottili come piattaforma per l’osservazione del flusso ramificato. Credit: Techion – Israel Institute of Technology 
Illustre Professor
Mordechai (Moti) Segev

L’illustre Prof. Moti Segev guarda al futuro. “Educo sempre il mio team a pensare oltre l’orizzonte“, dice, “a pensare a qualcosa di nuovo, e allo stesso tempo – guarda i fatti sperimentali così come sono, piuttosto che cercare di adattare gli esperimenti per soddisfare alcuni comportamenti attesi.

Qui Tolik cercava di misurare qualcosa di completamente diverso e si è sorpreso di vedere questi rami luminosi che inizialmente non riusciva a spiegare. Chiese a Miguel di partecipare alla ricerca e insieme hanno migliorato notevolmente gli esperimenti – al punto da poter isolare la fisica in gioco. È stato allora che abbiamo iniziato a capire quello che vediamo. Ci è voluto più di un anno per capire che quello che abbiamo è lo strano fenomeno del “flusso ramificato”, che all’epoca non era mai stato considerato nel contesto delle onde luminose. Ora, con questa osservazione – possiamo pensare a una pletora di nuove idee. Per esempio, usare questi rami luminosi per controllare il flusso fluidico in liquido, o per combinare il sapone con materiale fluorescente e far sì che i rami diventino dei piccoli laser. O per usare le membrane del sapone come piattaforma per esplorare i fondamenti delle onde, come le transizioni dalla dispersione ordinaria, sempre diffusiva, al flusso ramificato, e successivamente alla localizzazione di Anderson. Ci sono molti modi per continuare questo studio pionieristico. Come abbiamo fatto molte volte in passato, vorremmo andare con coraggio dove nessuno è mai andato prima“.

Il progetto continua ora nei laboratori del Profs. Segev e Sivan alla Technion, e in parallelo nel nuovo laboratorio del Prof. Miguel Bandres all’UCF.

VIDEO

Credit: Techion

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