Creati meta-atomi in grado di condurre la luce

MISSOURI – Un gruppo di ricercatori della University of Science and Technology  del Missouri ha creato atomi capaci di fungere da “tunnel” per la luce. La ricerca è stata pubblicata nella rivista Physical Review B. Grazie a questa scoperta, le possibili applicazioni tecnologiche sono varie: dalla banda ai dispositivi ottici, che attualmente si basano su una singola frequenza per trasmettere la luce.

L’articolo è solo la punta di un iceberg: da tempo gli scienziati si interrogano sulle interazioni tra luce e materia con l’obiettivo principale di dimostrare che esiste un tipo di materiale  (un vero e proprio meta-atomo) composto da ossido di silicio e oro, che può trasmettere luce attraverso un’ampia banda spettrale e ad una velocità potenzialmente infinita. “Questi meta-atomi possono essere integrati come blocchi di una costruzione più grande nei componenti ottici non convenzionali, che hanno proprietà elettromagnetiche esotiche su una vasta gamma di frequenze”, scrivono il Dott. Jie Gao e il Dott. Yang Xiaodong, assistenti universitari alla facoltà di ingegneria meccanica al Missouri S&T.

Come mostra l’immagine, i ricercatori hanno creato modelli matematici per questo meta-atomo, un materiale di 100 nanometri di larghezza e di 25 nanometri di altezza (un nanometro è un miliardesimo di metro ed è visibile solo con l’aiuto di un microscopio elettronico ad alta potenza). 

Velocità della luce e permettività. Nelle loro simulazioni, i ricercatori hanno usato 10 meta-atomi attraversati da impulsi luminosi a varie frequenze. Hanno scoperto che quando la luce incontra il materiale in un intervallo tra 540 e 590 terahertz, essa appare “allungata” in una linea quasi retta, realizzando una permettività efficace (conosciuta come epsilon quasi zero).

Con permettività si intende, in sintesi, il comportamento di un materiale in presenza di un campo elettrico.  La permettività efficace si riferisce al rapporto della velocità della luce attraverso l’aria rispetto alla velocità che avrebbe passando attraverso un materiale (si tenga presente che la luce, a differenza ad esempio del suono, non ha un mezzo in cui viaggia). Quando la luce viaggia attraverso il vetro, per esempio, la sua permittività efficace è 2,25. Attraverso l’aria o il vuoto dello spazio, il rapporto è di 1; questo rapporto è quello che viene normalmente indicato come velocità della luce (300.000 Km/s).

Velocità della luce e meta-atomi. Quando la luce passa attraverso i meta-atomi descritti nell’articolo, tuttavia, la sua permittività effettiva raggiunge un rapporto quasi zero. In altre parole, attraverso il mezzo di questi materiali appositamente progettati, la luce viaggia più veloce di se stessa: è “infinitamente veloce” (i meta-atomi allungano la luce mentre altri materiali, come il vetro, tipicamente comprimono le onde ottiche causando il fenomeno della diffrazione).

L’anno scorso, Albert Polman  dell’Istituto FOM di Fisica Atomica e Molecolare di Amsterdam, e Nader Engheta, un ingegnere elettrico in forze all’Università della Pennsylvania, hanno sviluppato un dispositivo molto piccolo in cui la luce di una singola lunghezza d’onda raggiungendo il valore “epsilon quasi zero”. Ma il lavoro dei ricercatori del Missouri S&T è il primo a dimostrare che lo stesso valore si ottiene in una banda larga di 50 terahertz. Ad oggi questi meta-atomi non sono ancora stati fabbricati; si è solo dimostrato il loro comportamento attraverso micro-canali di oro e silicio.