Le onde sonore interrompono la reciprocità di trasmissione della luce

Di solito la luce trasmette la stessa cosa in entrambe le direzioni: se io ti vedo, tu puoi vedermi. Ora, tuttavia, i ricercatori hanno creato un dispositivo che utilizza onde sonore in movimento per rompere questa simmetria, riducendo così fenomeni ottici indesiderati come il backscattering. Il nuovo dispositivo è il primo a produrre questo effetto benefico per i vortici ottici selettivi, utilizzati nelle comunicazioni ottiche, e potrebbe anche avere applicazioni per pinzette ottiche e laser basati su vortici.

I vortici sono onnipresenti in natura, ad esempio nei gas, nei fluidi, nel plasma e nel DNA. Nei vortici ottici, il fronte d'onda di un raggio di luce si muove a spirale attorno all'asse di propagazione centrale del raggio, assumendo una forma elicoidale con intensità zero al centro. Questo effetto a spirale si verifica perché la luce trasporta il momento angolare orbitale (OAM). Questa forma di momento angolare è distinta dal più familiare momento angolare di spin, che si manifesta nella polarizzazione, ed è stato scoperto solo nel 1992.

Poiché le informazioni possono essere codificate in OAM, i vortici ottici sono molto promettenti per il multiplexing, che è il processo di invio di più segnali ottici lungo una singola fibra con interferenze minime o altri effetti dannosi. Finora, tuttavia, è stato difficile realizzare dispositivi in ​​​​cui determinati modelli di vortice si propagano in una sola direzione. Ciò è dovuto a un principio fondamentale dell'ottica noto come reciprocità, che implica che i segnali luminosi si propagheranno liberamente in entrambe le direzioni attraverso una fibra ottica. Tale traffico bidirezionale può causare problemi come il backscattering che riduce la potenza del segnale trasmesso.

Le onde sonore manipolano le onde ottiche

Una squadra guidata da Xinglin Zeng, Filippo Russell ed Birgit Stiller della Istituto Max Planck per la Scienza della Luce ha ora utilizzato la propagazione delle onde sonore per rompere questa reciprocità di trasmissione della luce per i modelli di vortice scelti. Nel loro lavoro, hanno utilizzato le onde sonore per manipolare le onde ottiche in una fibra di cristallo fotonico chirale tramite un'interazione nota come diffusione Brillouin-Mandelstam stimolata dalla topologia selettiva. I ricercatori spiegano che mentre le onde sonore viaggiano in una direzione, consentono naturalmente un comportamento non reciproco per l'interazione optoacustica. In questo modo, le modalità OAM possono essere fortemente soppresse o amplificate, prevenendo il backscattering casuale e riducendo così al minimo il degrado del segnale.

Stiller e colleghi riferiscono che il loro nuovo dispositivo può essere riconfigurato come amplificatore o come isolante ottico a vortice regolando la frequenza del segnale di controllo. In effetti, hanno dimostrato un isolamento del vortice di 22 decibel, che si confronta bene con i migliori isolatori di modalità fondamentali che utilizzano lo scattering Brillouin-Mandelstam stimolato.

I ricercatori trovano il momento angolare "perso".

Secondo Stiller, le potenziali applicazioni del dispositivo includono schemi di comunicazione e entanglement quantistici basati su OAM, nonché comunicazioni ottiche classiche che utilizzano modalità OAM (sia fondamentali che di ordine superiore) per aumentare la capacità dei canali di comunicazione. "La possibilità di manipolazione selettiva delle modalità del vortice da parte delle onde luminose e sonore [è] un concetto molto affascinante", afferma Stiller.

I ricercatori, che dettagliano il loro lavoro in Anticipi Scienza, ora hanno in programma di studiare onde sonore più esotiche che hanno strutture insolite. "Vogliamo vedere come queste onde interagiscono con la luce nelle fibre ottiche chirali", dice Stiller Mondo della fisica.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/sound-waves-break-light-transmission-reciprocity/