La luce è uno dei concetti più semplici e al tempo stesso più complessi da spiegare che esista al mondo. La conoscono tutti, la vedono quasi tutti, ma pochi possono affermare di sapere come “funziona” davvero e come poterla manipolare. Tra gli ultimi ad aver provato ad approfondire questo ultimo aspetto ci sono alcuni ricercatori italiani dell’Istituto di scienze applicate e sistemi intelligenti del Consiglio nazionale delle ricerche di Napoli (Cnr-Isasi).
Lavorando con i colleghi statunitensi della Molecular Foundry di Berkeley e gli esperti della National University of Singapore (NUS), sono riusciti a compiere un passo avanti in tal senso e lo hanno potuto raccontare sulle pagine della celebre rivista Nature. Dalle prime righe, ai non esperti, la loro può sembrare una scoperta di nicchia, ma il suo potenziale impatto spazia dalle tecnologie quantistiche all’imaging ad alta risoluzione, fino ai dispositivi fotonici come laser, cavità ottiche e risonatori.
Un passo avanti di 8 ordini di grandezza
Pur tornando utile nel quotidiano di molti settori diversi dalla Fisica, il fenomeno “rivoluzionario” scoperto è da ricercare nel campo della nanofotonica. Chi si dedica a questo settore di ricerca studia il comportamento della luce e la sua interazione con la materia a livello nanometrico.
È proprio dedicandosi a questo che il team internazionale autore della scoperta è riuscito a dimostrare l’”accoppiamento supercritico“, un nuovo fenomeno fisico che prevede l’amplificazione di diversi ordini di grandezza dell’efficienza di conversione di fotoni a bassa energia (invisibili) in fotoni ad alta energia (visibili).
Il difficile, per chi apprende la notizia, è capire l’importanza della conversione di fotoni stessa. Di fatto, è un fenomeno cruciale in quasi tutte le applicazioni, dalla generazione di luce alla microscopia a super risoluzione. Renderla più efficiente è quindi decisamente rivoluzionario.
I ricercatori sono convinti di esserci riusciti, amplificando l’interazione tra i fotoni e gli atomi che innescano il processo di conversione, grazie all’accoppiamento supercritico. Questo fenomeno sfrutta la proprietà fisica degli stati legati nel continuo (o bound states in the continuum, BICs) che permette a un fotone di ambire a una configurazione del campo elettromagnetico in cui la luce, anziché propagarsi nello spazio rimane “intrappolata”, senza perdere energia. Se questo è possibile, e pare lo sia, si registra un aumento della conversione di luce di otto ordini di grandezza, accompagnato dalla propagazione diretta dei fotoni convertiti in luce visibile con eccezionale precisione.
Dai laser alle tecnologie quantistiche: sarà una rivoluzione
Scoperto questo, si desume che quando si hanno dei fotoni a bassa energia intrappolati, li si può far interagire più e più volte con la materia, lasciando che essa li converta in fotoni visibili. In questo modo si sfrutta l’accoppiamento supercritico e si riescono a controllare le proprietà del fenomeno in modo estremamente più efficiente.
Ciò significa diventare in grado di amplificare altri fenomeni fisici alla base delle tecnologie più all’avanguardia. “Sbloccata” questa opportunità dal punto di vista fisico, molti sono gli impatti immaginabili su tutte quelle applicazioni basate sulla conversione della luce.
Lecito quindi aspettarsi nel breve futuro di assistere a un cambio di paradigma nel campo della nanofotonica. Un’evoluzione che, oltre a stimolare chi fa ricerca sulla manipolazione della luce a livello nanometrico, potrebbe portare importanti e visibili avanzamenti sia nella fotonica quantistica, sia nei vari sistemi basati su risonatori accoppiati.
