Cnr: il nastro di Möbius nascosto nella luce

  La particolare figura geometrica, un nastro che si richiude su se stesso dopo una mezza torsione, dimostrata sperimentalmente per la prima volta nella struttura della luce da una collaborazione internazionale che vede coinvolto l’Istituto Spin del Cnr. I risultati sono pubblicati su Science.

Il nastro di Möbius è una particolare e nota figura geometrica: un nastro che si richiude su se stesso dopo una mezza torsione, tanto da congiungere in modo continuo una faccia con l’altra. In natura, la formazione spontanea di strutture con questa forma è estremamente rara: del tutto inattesa, quindi, era stata la previsione teorica, dieci anni fa, che nella struttura elettromagnetica della luce potessero celarsi piccoli nastri di Möbius. L’effettiva esistenza di tali nastri nella struttura della luce è stata ora dimostrata sperimentalmente per la prima volta da parte di una collaborazione internazionale che vede coinvolto l’Istituto Spin del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr). I risultati sono stati appena pubblicati online sulla rivista Science.

“Per meglio comprendere tali strutture, bisogna partire dalla natura di onda elettromagnetica della luce”, spiega Lorenzo Marrucci di Spin-Cnr. “In un fascio luminoso ci sono un campo elettrico e un campo magnetico che oscillano ad altissima frequenza. Seguendo nel tempo l’oscillazione del campo elettrico dell’onda, per esempio, si scopre 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, può variare da punto a punto”. 

Di solito tali variazioni sono limitate e quindi non definiscono strutture troppo complicate. “In opportune condizioni di preparazione del fascio di luce, realizzabili mediante l’utilizzo di una tecnologia innovativa sviluppata proprio nel nostro gruppo di ricerca 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”, prosegue Marrucci. “Questo si verifica solo in una regione di spazio molto piccola, 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”.

La collaborazione di ricerca, oltre a Lorenzo Marrucci e Andrea Rubano di Cnr-Spin di Napoli, include anche Enrico Santamato dell’Università di Napoli Federico II, un gruppo canadese ed uno tedesco. Questo risultato potrà trovare applicazione nella scrittura ottica di nano-strutture complesse in materiali fotosensibili, mirata ad ottenere materiali funzionali dalle proprietà innovative.

Roma, 27 febbraio 2015