Prima osservazione dello spin-Hall quantistico: come veicolare la luce

Amplificare e rendere macroscopico un fenomeno fondamentale della luce, il momento angolare intrinseco dei fotoni, trasversale rispetto al flusso che ne determina il verso specifico: questo l’obiettivo della ricerca

Una collaborazione tra l’Istituto per la microelettronica e i microsistemi (Imm), l’Istituto di biochimica e biologia cellulare (Ibbc) del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr) e la Molecular Foundry di Berkeley (California), ha reso possibile per la prima volta l’osservazione macroscopica dell’effetto spin-Hall quantistico della luce – un fenomeno che governa le proprietà fondamentali della luce su scala nanometrica (1 nanometro: 1 millesimo di millimetro). Lo studio, pubblicato sulla rivista Optica dell’Optical Society of America, sfrutta un singolare fenomeno di risonanza che consente di amplificare l’energia della luce in maniera efficiente e nel quale lo spin – il momento angolare intrinseco dei fotoni, le particelle da cui è composta la luce – manifesta un orientamento trasversale rispetto al flusso generale dei fotoni, quello che ne determina il verso specifico del movimento.

“In sostanza, la proprietà che andiamo a osservare e cercare di sfruttare, lo spin-hall quantistico, è quella di un singolo elemento del fascio di luce di muoversi in direzione diversa dalle altre particelle. L’effetto osservato apre nuovi e interessanti scenari nelle applicazioni della fotonica: consente di avere un grado di libertà aggiuntivo nella progettazione di futuri dispositivi in grado di agire su determinate caratteristiche della luce”, afferma Gianluigi Zito, fisico ricercatore presso il Cnr-Ibbc. “La possibilità di controllare le proprietà dei singoli fotoni può avere importanti ricadute tecnologiche, ad esempio nella progettazione di laser unidirezionali e sensori ad elevate prestazioni, che potrebbero trovare applicazione nei campi più disparati, dalla medicina all’elettronica”, aggiunge Silvia Romano, fisico post-doc presso il Cnr-Imm. “Le tecnologie che sfruttano i fotoni invece degli elettroni, infatti, sono sempre più presenti nella nostra vita quotidiana e potrebbero sostituire del tutto i dispositivi elettronici grazie alla loro capacità di trasportare più informazioni in modo più efficiente”, aggiunge Vito Mocella, ricercatore presso l’Imm di Napoli.

Per ottenere questo risultato, i ricercatori del Cnr hanno utilizzato un dispositivo dielettrico su scala nanometrica che supporta risonanze singolari senza perdite: “Si tratta di un fenomeno fondamentale della fisica di grande interesse: riusciamo a manipolare la luce grazie allo spin e poiché la luce  è confinata ed amplificata su un’ampia superfice l’effetto collettivo rende tali meta-superfici estremamente robuste rispetto a difetti o piccole imperfezioni, rendendole ideali per dispositivi reali nei vari campi della fotonica e dei computer quantistici (il quantum computing), dove la manipolazione direzionale assistita dallo spin può giocare un ruolo fondamentale”, conclude Vito Mocella.