Il nastro di Möbius nascosto nella luce

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Il nastro di Möbius è una particolare figura geometrica dalle proprietà sorprendenti: è infatti una superficie, estesa in due dimensioni, come per un foglio di carta, ma possiede un solo lato (o "faccia") anziché due lati opposti come avviene di solito. Il motivo è che il nastro si richiude su se stesso dopo aver fatto una mezza torsione, in modo da congiungere in modo continuo una faccia con l'altra, unificandole.

In natura, la formazione spontanea di strutture a forma di nastro di Möbius è estremamente rara. Del tutto inattesa era stata quindi la previsione teorica, risalente a dieci anni fa, che nella struttura elettromagnetica della luce potessero, in opportune condizioni, celarsi piccoli nastri di Möbius. L'effettiva esistenza di tali nastri di Möbius nella struttura della luce è stata ora dimostrata sperimentalmente per la prima volta da parte di una collaborazione internazionale che vede coinvolti i professori Lorenzo Marrucci ed Enrico Santamato e il dottotor Andrea Rubano dell'Università di Napoli Federico II e dell'istituto CNR SPIN (gruppo di ricerca SLAM). Oltre al gruppo di Napoli, la collaborazione include un gruppo di ricerca canadese ed uno tedesco. I risultati di tali esperimenti sono stati appena pubblicati online nella importante rivista scientifica Science.

Per meglio comprendere la natura di tali strutture, bisogna partire dalla natura di onda elettromagnetica della luce. In un fascio luminoso, c'è un campo elettrico e un campo magnetico che oscillano ad altissima frequenza. Seguendo nel tempo l'oscillazione – per esempio – del campo elettrico dell'onda, si può trovare che in certe condizioni essa tende ad avvenire in una direzione ben precisa nello spazio, che definisce la cosiddetta polarizzazione della luce. La direzione di polarizzazione non è però necessariamente uniforme nello spazio, in generale può variare da punto a punto. Di solito tali variazioni sono limitate e non definiscono quindi strutture troppo complicate. In opportune condizioni di preparazione del fascio di luce, realizzabili mediante l'utilizzo di una tecnologia innovativa sviluppata proprio nel gruppo di Napoli, si può ottenere invece un fascio di luce la cui direzione di polarizzazione varia nello spazio in modo da descrivere un nastro di Möbius percorrendo un giro attorno all'asse del fascio, come mostra la figura. Questo si verifica solo in una regione molto piccola di spazio, dell'ordine di pochi micrometri, in prossimità del punto focale del fascio. La visualizzazione di tale complessa struttura tridimensionale su scala nanometrica ha pertanto richiesto una tecnologia anch'essa del tutto innovativa, sviluppata solo l'anno scorso in Germania.

Questo risultato potrà trovare applicazione nella scrittura ottica di nano-strutture complesse in materiali fotosensibili, mirata ad ottenere materiali funzionali dalle proprietà innovative.


Redazione

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