Orbital angular momentum microlaser – un laser a semiconduttore di dimensioni micrometriche che produce luce vorticosa sfruttando un “punto eccezionale quantistico”. è lo studio che ha vinto la quinta edizione del Premio Aspen Institute Italia per la collaborazione e la ricerca scientifica tra Italia e Stati Uniti. La ricerca nasce dal lavoro comune di sette scienziati appartenenti a tre diverse organizzazioni scientifiche e costituisce un importante progresso nella fisica e nella tecnologia dei laser a semiconduttori integrati.
Il dispositivo laser a momento angolare orbitale ideato e realizzato dal team Usa-Italia rappresenta un tassello chiave per la produzione di luce vorticosa in grado di rivoluzionare gli attuali sistemi di comunicazione ottica consentendo la trasmissione di dati ad altissima velocità, necessaria per sostenere la quarta rivoluzione industriale. L’originalità della ricerca consiste nell’aver ideato e realizzato un laser miniaturizzato, su scala del micrometro, che opera in un cosiddetto punto eccezionale quantistico in cui la luce generata si attorciglia rapidamente nella propagazione. La luce oscilla a diverse frequenze (colori); per ogni frequenza essa si può attorcigliare un numero limitato di volte dando origine ad un’onda vorticosa (come nei vortici d’acqua che si formano in uno scarico).
Un vortice ottico trasporta quello che i fisici chiamano momento angolare orbitale del fotone, caratterizzato da una carica topologica. La vorticità della luce, essendo una proprietà topologica, è estremamente robusta. Al pari della frequenza può essere utilizzata per codificare l’informazione da inviare su una fibra ottica. Questa possibilità, di codificare l’informazione (bit) nel moto vorticoso della luce oltre che nel suo colore, consente di aumentare notevolmente la quantità di dati trasmissibili ad ogni singola frequenza, ed è perciò destinata a rivoluzionare il sistema mondiale delle telecomunicazioni nel prossimo futuro, con prevedibili ampie ricadute sul piano economico e sociale.
Il laser realizzato è un piccolo anello di materiale semiconduttore pompato otticamente sul quale sono praticati particolari corrugazioni. Lungo l’anello, la luce può propagarsi in ambedue i sensi, orario ed antiorario, cosi che la luce estratta dal dispositivo è generalmente priva di vorticità L’idea principale del lavoro è quella di sfruttare le proprietà dei cosiddetti punti eccezionali quantistici, che sono speciali singolarità matematiche qui realizzate mediante opportune metallizzazioni lungo l’anello. Ad un punto eccezionale, la circolazione della luce avviene stabilmente in una sola direzione. La luce estratta dall’anello mostra una vorticità (carica topologica) che può essere opportunamente variata ed usata per codificare l’informazione.