Qualsiasi studente di fisica sa che la luce viaggia in linea retta. Ma ora i ricercatori hanno dimostrato che la luce può anche viaggiare in una curva, senza alcuna influenza esterna. L’effetto è in realtà un’illusione ottica, anche se i ricercatori dicono che potrebbe avere usi pratici come spostare oggetti con la luce da lontano.
È noto che la luce si piega. Quando i raggi di luce passano dall’aria all’acqua, per esempio, fanno una brusca virata; ecco perché un bastone immerso in uno stagno sembra inclinarsi verso la superficie. Nello spazio, i raggi di luce che passano vicino a oggetti molto massicci come le stelle sono visti viaggiare in curva. In ogni caso, la flessione della luce ha una causa esterna: Per l’acqua, è un cambiamento in una proprietà ottica chiamata indice di rifrazione, e per le stelle, è la natura deformante della gravità.
Che la luce si pieghi da sola, tuttavia, è inaudito – quasi. Alla fine degli anni ’70, i fisici Michael Berry dell’Università di Bristol, nel Regno Unito, e Nandor Balazs della State University of New York, Stony Brook, scoprirono che una cosiddetta forma d’onda di Airy, un’onda che descrive come si muovono le particelle quantistiche, può talvolta piegarsi di una piccola quantità. Questo lavoro è stato in gran parte ignorato fino al 2007, quando Demetri Christodoulides e altri fisici della University of Central Florida di Orlando hanno generato versioni ottiche delle onde di Airy manipolando la luce laser, e hanno scoperto che il raggio risultante si curvava leggermente mentre attraversava un rilevatore.
Come ha funzionato questa auto-curvatura? La luce è un’accozzaglia di onde, e i loro picchi e avvallamenti possono interferire l’uno con l’altro. Per esempio, un picco che passa un trogolo si annulla a vicenda per creare l’oscurità; un picco che passa un altro picco “interferisce costruttivamente” per creare un punto luminoso. Ora, immaginate la luce emessa da una larga striscia – forse un tubo fluorescente o, meglio, un laser la cui uscita è stata ampliata. Controllando attentamente la posizione iniziale dei picchi dell’onda – la fase delle onde – ad ogni passo lungo la striscia, è possibile far sì che la luce che viaggia verso l’esterno interferisca costruttivamente solo nei punti di una curva e si annulli ovunque. La funzione di Airy, che contiene oscillazioni rapide ma decrescenti, si è dimostrata un modo semplice per definire quelle fasi iniziali, tranne che la luce risultante si piegherebbe solo fino a circa 8°.
Ora i fisici Mordechai Segev e colleghi del Technion, Israel Institute of Technology, di Haifa dicono di avere una ricetta per far sì che la luce si pieghi da sola attraverso qualsiasi angolo, anche attraverso un cerchio completo. Il problema con la funzione di Airy, dice Segev, è che la forma delle sue oscillazioni specifica le fasi giuste solo a piccoli angoli; ad angoli molto maggiori di 8°, la forma diventa un’approssimazione grezza. Così il suo gruppo si è rivolto alle equazioni di Maxwell, il quartetto di formule matematiche di 150 anni fa che descrive la propagazione delle onde elettromagnetiche come la luce. Dopo laboriosi calcoli matematici e congetture, i ricercatori hanno trovato soluzioni alle equazioni di Maxwell che descrivono con precisione le fasi iniziali richieste per una luce veramente autocurvante, come riportano questa settimana in Physical Review Letters.
“La funzione di Airy è una soluzione per un caso approssimativo”, dice Segev. “Se vuoi andare a grandi angoli, devi avere la forma corretta. La gente pensava che non ci fosse una forma corretta, che la soluzione sarebbe sempre andata in pezzi – ma abbiamo dimostrato che è sbagliato”.
Il lavoro del gruppo di Segev sarebbe potuto rimanere teorico, ma per coincidenza, un gruppo guidato da John Dudley all’Università di Franche-Comté a Besançon, Francia, ha eseguito i propri esperimenti sulla luce che si piega da sola. Modificando la funzione Airy esistente, il gruppo di Dudley è riuscito a trovare valori di fase iniziali che corrispondono alla soluzione del gruppo israeliano, anche se non ne erano a conoscenza. Usando un dispositivo chiamato modulatore di luce spaziale per pre-regolare la fase di un fascio espanso di luce laser, il gruppo francese ha scoperto che la luce risultante si è piegata da sola fino a 60°, come riferirà più tardi questo mese in Optics Letters.
La luce che si piega da sola potrebbe dare una svolta alle pinzette ottiche. Questi dispositivi, che sono stati sviluppati negli anni ’80, utilizzano la forza creata da un’intensa luce laser per tenere oggetti microscopici a mezz’aria. Segev crede che sostituendo i raggi laser con la luce autocurvante, i ricercatori potrebbero forzare gli oggetti intrappolati a viaggiare lungo percorsi complessi senza toccarli. Così facendo, la luce curva potrebbe allontanare selettivamente le cellule da un campione biologico, una manna per i bioingegneri.
Il fisico Pavel Polynkin dell’Università dell’Arizona a Tucson suggerisce un’altra applicazione: -bruciare un foro curvo attraverso un materiale, che sarebbe impossibile con un laser regolare. Ma nonostante queste applicazioni, egli sottolinea che la luce stessa non si curva, ma sembra solo, a causa del modo in cui i punti luminosi di interferenza si allineano. Infatti, dice, la maggior parte della potenza della luce non va verso la curva luminosa, ma nelle aree fioche che sono state cancellate. “Non sto contestando il significato scientifico dell’articolo”, aggiunge. “Riporta un contributo importante. … nessuna legge fisica fondamentale è stata violata finora – e questa è una buona cosa, a mio parere”.