La velocità di propagazione della macchiolina ottica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9071 (2023) Citare questo articolo

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Il fatto che la velocità della luce nel vuoto sia costante è una pietra miliare della fisica moderna. Tuttavia, recenti esperimenti hanno dimostrato che quando il campo luminoso è confinato nel piano trasversale, la velocità di propagazione osservata della luce risulta ridotta. Questo effetto è una conseguenza della struttura trasversale che riduce la componente di vettore d'onda della luce nella direzione di propagazione, modificando così sia la velocità di fase che quella di gruppo. Qui consideriamo il caso della macchiolina ottica, che ha una distribuzione trasversale casuale ed è onnipresente con scale che vanno dal microscopico all'astronomico. Investighiamo numericamente la velocità di propagazione da piano a piano della macchiolina ottica utilizzando il metodo dell'analisi dello spettro angolare. Per un diffusore generale con diffusione gaussiana su un intervallo angolare di 5°, calcoliamo che il rallentamento della velocità di propagazione della macchiolina ottica sia dell'ordine dell'1% della velocità nello spazio libero, risultando in un ritardo temporale significativamente più elevato rispetto ai fasci di Bessel e Laguerre–gaussiani considerati in precedenza. I nostri risultati hanno implicazioni per lo studio della macchiolina ottica sia in laboratorio che in ambito astronomico.

La velocità della luce è una proprietà fondamentale della luce, sia in termini di onde che di fotoni. È generalmente accettato che la velocità nel vuoto sia una costante c, che è una delle unità fondamentali della natura da cui viene definita l'unità di lunghezza1. La comunità dei fisici ottici, tuttavia, è rimasta affascinata dal controllo e dall'osservazione delle deviazioni da questa costante. Un esempio ben noto sono i fenomeni correlati della luce lenta e veloce2,3,4, in cui la velocità di gruppo degli impulsi luminosi viene modificata attraverso un sistema materiale, inclusi vapori atomici5, atomi ultrafreddi6, fibre ottiche7,8,9, cristalli fotonici10, e così via11,12,13,14. La base di questi effetti è generalmente associata alla dispersione cromatica di un impulso luminoso, che tende a diffondersi o distorcersi temporalmente mentre si propaga attraverso un mezzo ottico. Un meccanismo alternativo per controllare la velocità di gruppo della luce è tramite pacchetti d'onda invarianti alla propagazione con struttura spaziotemporale sottostante15, come gli impulsi di Bessel-X16, e pacchetti d'onda spazio-temporali17, 18. Sulla base di questi fenomeni, sono state proposte varie strategie per realizzare la propagazione superluminale19,20,21,22 e le velocità di gruppo arbitrariamente regolabili23,24,25,26 nello spazio libero. Tali implementazioni sono facilitate dall’accoppiamento spazio-tempo, dove gli impulsi luminosi subiscono una modellazione spaziotemporale attraverso una stretta correlazione tra gradi di libertà spaziali e temporali15, 18.

Oltre a questi vari fenomeni, è stato più recentemente riconosciuto che il confinamento trasversale di un'onda o la struttura spaziale di un singolo fotone ne modificano la velocità di propagazione, determinando una velocità di gruppo subluminale27. Questa modifica deriva dalla divergenza o convergenza della trave a causa della struttura trasversale della trave. Tale rallentamento della velocità di propagazione, indotto dalla struttura spaziale, chiamiamo "luce lenta strutturata", che può verificarsi in assenza di qualsiasi mezzo. Per un semplice esempio, all'interno di una guida d'onda cava, i modi trasversali che viaggiano tra due piani producono una velocità di gruppo inferiore a c28. Secondo la teoria delle guide d'onda, la relazione tra velocità di fase vϕ e velocità di gruppo vg,z lungo la guida d'onda appare come vϕvg,z = c229. Ciò significa che, considerando la riduzione del vettore d'onda proiettato assiale kz lungo la guida rispetto al numero d'onda fisso k0, c'è una velocità di fase superiore a c, e ne risulta una velocità di gruppo ridotta, dove \(k_{0} = {{2 \pi } \mathord{\left/ {\vphantom {{2\pi } \lambda }} \right. \kern-0pt} \lambda }\) e λ è la lunghezza d'onda ottica. È opportuno sottolineare qui che questo rallentamento non è causato direttamente dalla guida d'onda ma piuttosto dalle condizioni al contorno che la guida d'onda impone alla struttura spaziale trasversale.