Il suono controlla la luce 04.02.2015

All'inizio del secolo scorso, il fisico sovietico Leonid Mandelstam ha teoricamente dimostrato che le vibrazioni sonore in una sostanza trasparente possono disperdere la luce che passa attraverso questa sostanza. Le onde sonore provocano cambiamenti locali nella densità del mezzo e, di conseguenza, cambiano l'indice di rifrazione. Come risultato di tale dispersione, parte dell'energia luminosa viene persa. Indipendentemente da Mandelstam, il fisico americano Leon Brillouin è arrivato agli stessi risultati. Di conseguenza, l'interazione di suono e luce nei media trasparenti è stata chiamata effetto Mandelstam-Brillouin.

Tuttavia, non ci accorgiamo che la musica ad alto volume disperde la luce di una lampadina, poiché, ad esempio, la luce dei fari delle auto si disperde nella nebbia. L'effetto diventerà evidente solo se invece di una normale lampadina prendiamo una fonte di radiazione monocromatica: un laser. Il fatto è che il raggio laser è una radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda, che ne determina il "colore". Il raggio rosso ha una lunghezza d'onda, il raggio verde ne ha un'altra.

Ora prendiamo una linea dati in fibra ottica. Il principio del suo funzionamento è che le informazioni vengono trasmesse modificando l'intensità di un raggio di luce che si propaga lungo un filo di vetro trasparente. Un singolo filo di fibra ottica può essere utilizzato contemporaneamente per trasmettere dati su centinaia di canali, semplicemente utilizzando fasci di luce di diverse lunghezze d'onda. Ciascun canale corrisponde a una specifica lunghezza d'onda del laser. È abbastanza simile con la trasmissione di dati su onde radio, tranne per una cosa: se aumentiamo la potenza del trasmettitore radio, la potenza del segnale e la portata della sua ricezione aumentano. Se aumentiamo la potenza del laser per trasmettere un segnale su una fibra ottica, la trasmissione si deteriora: sempre più segnale inizierà a perdersi a causa della dispersione di Mandelstam-Brillouin. Pertanto, esiste una potenza del segnale di soglia, che non ha senso superare, altrimenti la luce trasmessa verrà semplicemente riflessa.

Cosa facevano i fisici dell'Università dell'Illinois? Su un sottile filo di fibra ottica, hanno fissato una piccola sfera di vetro. Questo progetto è chiamato risonatore ottico ad anello. Un raggio laser proveniente da un filamento di fibra ottica entra nel risonatore e, a causa della riflessione interna multipla, vi rimane come in una trappola. Il punto chiave dell'esperimento è stato il secondo raggio laser, con una frequenza che differisce di una certa quantità da quella originale. La differenza nelle frequenze dei raggi laser corrispondeva alla frequenza delle vibrazioni acustiche del materiale della sfera. Ciò ha reso la fibra ottica e il sistema di risonatore trasparenti al primo raggio.

La cosa più sorprendente è che un tale sistema si è rivelato trasparente ai raggi da un solo lato. Si è rivelato essere una specie di tornello ottico: la luce passa da un lato e non può passare dall'altro. Una proprietà così interessante deriva dalla complessa interazione di due raggi di luce e onde acustiche in un materiale: l'effetto di dispersione Mandelstam-Brillouin. Solo in questo caso, invece di impedire il passaggio del raggio attraverso la fibra, gli ha invece fornito un corridoio libero.

La scoperta di tali proprietà consentirà di creare isolatori ottici e circolatori in miniatura, necessari per i sistemi in fibra ottica e, in futuro, per i computer quantistici. Ora questi dispositivi si basano sull'effetto magneto-ottico di Faraday e i campi magnetici e i materiali vengono utilizzati per trasmettere la luce in una sola direzione. La scoperta fatta aiuterà solo a sbarazzarsi di campi magnetici non necessari. Inoltre, può essere utilizzato per modificare la velocità di gruppo di un raggio di luce - ciò che i fisici chiamano luce "veloce" e "lenta", è necessaria per memorizzare informazioni quantistiche.