Nuovo dispositivo ottico a base di acqua

Una nuova procedura per modulare la luce, mediante un dispositivo ottico a base di acqua, è meno costosa e più facile da usare rispetto ai metodi convenzionali.

La luce è versatile in natura: mostra caratteristiche diverse quando si viaggia attraverso diversi tipi di materiali. Questa proprietà è stata esplorata in varie tecnologie, ma il modo in cui la luce interagisce con i materiali deve essere manipolato per ottenere l'effetto desiderato. Questo viene fatto usando dispositivi speciali chiamati modulatori di luce, che hanno la capacità di modificare le proprietà della luce. Una di queste proprietà, chiamata effetto Pockels, viene vista quando un campo elettrico viene applicato al mezzo attraverso il quale viaggia la luce. Normalmente, la luce “si piega” quando colpisce qualsiasi mezzo, ma sotto l'effetto di Pockels, l'indice di rifrazione del mezzo (una misura di quanto la luce si piega) cambia proporzionalmente al campo elettrico applicato. Questo effetto ha varie applicazioni nell'ingegneria ottica, ad esempio nella comunicazione ottica, nei display e nei sensori elettrici. Ma esattamente come questo effetto si verifichi in diversi materiali non è ancora molto chiaro, rendendo difficile esplorarne appieno il potenziale.

In uno studio innovativo pubblicato su OSA Continuum, (1) un team di scienziati, guidato dal professor Eiji Tokunaga (2) dell'Università di Scienze di Tokyo e tra cui Daisuke Hayama, Keisuke Seto, Kyohei Yamashita, Shunpei Yukita (tutti componenti dell'Università della Scienza di Tokyo) e Takayoshi Kobayashi (The University of Electro-Communications e la National Chiao-Tung University), ha fatto luce sul meccanismo dell'effetto Pockels in un nuovo tipo di modulatore della luce.

Fino a poco tempo fa, questo effetto era stato osservato solo in un tipo speciale di cristallo, che è costoso e quindi difficile da usare. Dodici anni fa, il professor Eiji Tokunaga e il suo team hanno osservato questo effetto, per la prima volta, nello strato superiore (chiamato anche strato interfacciale) dell'acqua - qualcosa che non si vede nella maggior parte dell'acqua - quando è in contatto con un elettrodo, mostrando un barlume di speranza per gli scienziati che cercano di creare semplici dispositivi ottici. Sebbene il coefficiente di Pockels (una misura dell'effetto di Pockels) fosse un ordine di grandezza maggiore, si è scoperto che poiché questo effetto era generato solo nel sottile strato interfacciale, ciò richiedeva un rivelatore altamente sensibile. Inoltre, anche il suo meccanismo non è stato chiaramente compreso, complicando ulteriormente il processo. Il professor Tokunaga e il suo team volevano trovare una soluzione e, dopo molte prove ed errori, alla fine ci riuscirono.

Per fare questo, gli scienziati hanno creato un impianto con un elettrodo trasparente su una superficie di vetro in acqua e ad esso è stato applicato un campo elettrico. Lo strato interfacciale (chiamato anche doppio strato elettrico o EDL) ha uno spessore di pochi nanometri e mostra proprietà elettrochimiche diverse rispetto al resto dell'acqua. È anche l'unica parte dell'acqua in cui l'effetto di Pockels può essere osservato sotto un campo elettrico. Gli scienziati hanno utilizzato il concetto di riflessione totale per creare un ampio angolo all'interfaccia tra acqua ed elettrodo. Hanno osservato che quando la luce viaggia attraverso l'elettrodo ed entra nell'EDL, i cambiamenti nell'indice di rifrazione di entrambi gli strati possono modificare il segnale riflesso. Poiché l'indice di rifrazione nell'elettrodo trasparente è maggiore di quello sia per l'acqua che per il vetro (rispettivamente 1,33 e 1,52), la quantità di luce riflessa su entrambe le estremità aumenta, causando un effetto Pockels più potenziato. Ciò è stato importante perché un segnale ampio e più avanzato significherebbe che anche i dispositivi a bassa sensibilità potrebbero essere utilizzati per misurarlo. Inoltre, poiché l'impostazione sperimentale non è complessa, consistente solo in un elettrodo trasparente immerso in acqua contenente elettroliti, questo metodo è molto più semplice da usare. Per non parlare del fatto che l'acqua è un mezzo economico, con un conseguente processo a basso costo. Elaborando questi risultati, il professor Tokunaga afferma: "Attraverso la nostra tecnica, abbiamo osservato la modulazione della luce con una variazione di intensità massima del 50% proporzionale alla tensione CA applicata".

Incoraggiato da queste osservazioni, il professor Tokunaga e il suo team hanno voluto verificare questi risultati usando calcoli matematici. Sono rimasti sorpresi di scoprire che i calcoli teorici corrispondevano ai risultati sperimentali. Inoltre, hanno constatato che teoricamente si poteva ottenere una modulazione dell'intensità della luce al 100%, il che era entusiasmante perché ciò confermava le loro scoperte. Il professor Tokunaga afferma: “I risultati sono stati sorprendenti, ma è stato ancora più sorprendente quando la nostra analisi teorica ha mostrato che potevano essere perfettamente spiegati dalle conoscenze ottiche esistenti”. Gli scienziati affermano inoltre che: “i risultati di questa ricerca non hanno solo l'applicabilità a elementi di modulazione della luce unici e sensori di interfaccia che utilizzano l'acqua, ma il principio di miglioramento scoperto apre la possibilità di utilizzare qualsiasi interfaccia esistente universalmente”.

Questo nuovo metodo di modulazione della luce costituisce una migliore alternativa a quelli esistenti, soprattutto grazie a vantaggi come il basso costo e il rilevamento più semplice. Il team del professor Tokunaga ritengono che, scoprendo nuovi meccanismi di modulazione della luce, il loro studio aprirà le porte a ricerche più avanzate in questo campo. Il professor Tokunaga conclude dicendo: “La nostra esclusiva tecnologia di modulazione della luce non ha precedenti e ha molte applicazioni possibili perché mostra un modo generale per estrarre un segnale Pockels di grandi dimensioni da un'interfaccia universalmente esistente. Inoltre, speriamo che il nostro studio dia vita a un nuova area di ricerca nell'ambito dell'ottica, rivoluzionando così il campo”.

La Tokyo University of Science (TUS) (3) è un'università rinomata e rispettata, e la più grande università di ricerca privata specializzata in scienza in Giappone, con quattro campus nel centro di Tokyo e nei suoi sobborghi e nell'Hokkaido. Istituita nel 1881, l'università ha continuamente contribuito allo sviluppo del Giappone nella scienza inculcando l'amore per la scienza in ricercatori, tecnici ed educatori.

Con una missione di “Creazione di scienza e tecnologia per lo sviluppo armonioso della natura, esseri umani e società”, TUS ha intrapreso una vasta gamma di ricerche dalla scienza di base alla scienza applicata. TUS ha adottato un approccio multidisciplinare alla ricerca e ha intrapreso uno studio intensivo in alcuni dei settori più vitali di oggi. TUS è una meritocrazia in cui il meglio della scienza è riconosciuto e nutrito. È l'unica università privata in Giappone che ha prodotto un premio Nobel e l'unica università privata in Asia a produrre vincitori del Premio Nobel nel campo delle scienze naturali.

Il dottor Eiji Tokunaga è professore all'Università della Scienza di Tokyo. Ricercatore rispettato e di alto livello nel suo settore, ha oltre 80 pubblicazioni al suo attivo. È anche l'autore corrispondente di questo studio. La sua ricerca riguarda principalmente lo studio delle proprietà ottiche in diversi media. Dopo aver trascorso quasi tre decenni nel campo dell'ottica, il professor Tokunaga ha introdotto numerosi nuovi concetti relativi alle proprietà della luce. Le sue ricerche sono disponibili su (2)

Questo lavoro è stato supportato da una sovvenzione in aiuti per la ricerca scientifica (C) (numero di sovvenzione JP15K05134) da parte della Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) e Murata Science Foundation.

Riferimenti:

(1) Giant Pockels effect in an electrode-water interface for a “liquid” light modulator

(2) Eiji Tokunaga

(3) Tokyo University of Science (TUS)

Descrizione foto: estrarre la modulazione della luce usando l'effetto interfacciale Pockels. - Credit: professor Eiji Tokunaga, Tokyo University of Science.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New water-based optical device revolutionizes the field of optics research