Credits: Hrvoje Petek - R.K. Mellon - Dipartimento di Fisica e Astronomia

Introduzione

La luce viaggia ad una velocità di circa 300.000.000 metri al secondo come particelle di luce, fotoni o, in modo equivalente, come onde di campo elettromagnetico. Esperimenti condotti da Hrvoje Petek, professore della R.K. Mellon – Dipartimento di Fisica e Astronomia, hanno esaminato le idee che circondano le origini della luce, scattando istantanee di luce, fermando la luce e utilizzandola per modificare le proprietà della materia.

Riconoscimento di merito

Petek ha lavorato sugli esperimenti con gli studenti e i collaboratori del Prof. Chen-Bin (Robin) Huang dell’Università Nazionale Tsing Hua di Taiwan, e Atsushi Kubo dell’Università Tsukuba del Giappone. I loro risultati sono stati riportati nell’articolo “Plasmonic topological quasiparticle on the nanometre and femtosecond scale“, pubblicato nel numero del 24 dicembre della rivista Nature.

Petek ha accreditato lo studente laureato Yanan Dai per la sua lungimiranza e il suo lavoro nel processo.

Il conclusione della ricerca, tuttavia, è che Yananan, che ha eseguito gli esperimenti e ha fornito la modellazione teorica, ha dimostrato di essere stato educato ben oltre il livello del suo professore e di saper interpretare in modo incisivo le proprietà topologiche dei nanofemto e le interazioni dei campi ottici“, ha detto.

L’esperimento

Il team ha effettuato un esperimento di microscopia ultraveloce, dove ha intrappolato impulsi di luce verde della durata di 20 fs (2×10-14 s) come onde composte di fluttuazione della densità degli elettroni della luce, note come polaritoni plasmonici di superficie e ha ripreso la loro propagazione su una superficie d’argento alla velocità della luce. Ma lo hanno fatto con una torsione in modo che le onde luminose si unissero da due lati per formare un vortice di luce in cui le onde luminose sembrano circolare intorno a un nucleo comune stazionario come un turbinio di onde.

Potrebbero generare un filmato di come le onde luminose si agitano sulla loro scala di lunghezza d’onda nanometrica (10-9 m) attraverso l’imaging degli elettroni che due fotoni di luce che si uniscono sprigionano dalla superficie.

Raccogliendo tutti questi elettroni con un microscopio elettronico si formano immagini dove la luce è passata, permettendo così ai ricercatori di scattare la sua istantanea. Naturalmente, se nulla è più veloce della luce, non si può fare la sua istantanea, ma inviando due impulsi di luce con la loro separazione temporale avanzata in passi di 10-16 s, si può immaginare come le onde luminose si uniscano causando l’aumento e la diminuzione dell’ampiezza delle loro onde luminose in punti fissi nello spazio formando un vortice di luce sulla scala nano (10-9 m)-femto (10-15 s).

Significato comsologico

Tali vortici di luce si formano quando si fa brillare il puntatore laser rosso o verde su una superficie ruvida e si vede un riflesso di maculato, ma hanno anche un significato cosmologico. I campi di vortici di luce possono potenzialmente causare transizioni nell’ordine delle fasi meccaniche quantistiche nei materiali allo stato solido, in modo tale che la struttura del materiale trasformato e la sua immagine speculare non possano essere sovrapposte. In altre parole, il senso della rotazione del vortice genera due materiali topologicamente distinti.

Petek ha detto che tali transizioni topologiche di fase sono all’avanguardia della ricerca fisica perché si pensa che siano responsabili di alcuni aspetti della struttura dell’Universo.

Anche le forze della natura, compresa la luce, si pensa che siano emerse come simmetria che rompe le transizioni di un campo primordiale. Così, la capacità di registrare i campi ottici e i vortici plasmonici dell’esperimento apre la strada a studi di microscopia ultraveloce delle transizioni di fase iniziate dalla luce nei materiali di materia condensata su scala di laboratorio“, ha detto.

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