25/06/2026
Un team internazionale di fisici di diverse istituzioni - Cnr, Università di Southampton, Università di Varsavia, Military University of Technology, Istituto Pascal, Università Clermont Auvergne e CNRS - ha sviluppato una nuova classe di dispositivi fotonici sintonizzabili nei quali minuscoli fasci laser si sincronizzano spontaneamente e si comportano come un’unica sorgente luminosa coerente, spazialmente estesa. Per la prima volta questo effetto è stato ottenuto a temperatura ambiente con un sistema relativamente semplice basato su cristalli liquidi e molecole di colorante organico, aprendo nuove possibilità per tecnologie ottiche a basso costo e riconfigurabili.
“Questo lavoro dimostra che spot laser spazialmente separati all’interno di una microcavità ottica possono agganciarsi spontaneamente in fase, ossia allineare e sincronizzare le proprie oscillazioni, e formare uno stato collettivo noto come supermodo. Precedentemente un comportamento simile era stato osservato solo in sistemi a semiconduttore noevolmente più complessi, operanti a temperature criogeniche e usando delle particelle ibride luce-materia chiamate polaritoni”, spiega Simone De Liberato, dirigente di ricerca dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Cnr e già professore di nanofotonica quantistica all'Università di Southampton, che ha supervisionato la ricerca.
“I nostri risultati mostrano che non servono materiali quantistici complessi né basse temperature per ottenere questo tipo di comportamento collettivo della luce”, afferma Dmitriy Dovzhenko, dell'Università di Southampton, primo autore dell’articolo. “Possiamo ottenere effetti analoghi su una piattaforma molto più semplice e pratica, che offre riconfigurabilità tutta-ottica, sintonizzabilità elettrica e funzionamento robusto a temperatura ambiente, con il vantaggio di accedere a regimi di funzionamento non convenzionali, irraggiungibili nelle piattaforme finora riportate”.
“Il dispositivo consiste in una microscopica cavità ottica riempita con un cristallo liquido in cui è disciolto un comune colorante laser, un capolavoro tecnologico realizzato a Varsavia”, racconta Wiktor Piecek della Military University of Technology. Quando viene eccitato da luce spazialmente strutturata, le corrispondenti piccole regioni della cavità iniziano a emettere luce coerente come tanti minuscoli laser. Anziché agire in modo indipendente, queste regioni possono interagire attraverso la luce che si propaga nel piano della cavità. Questa interazione porta alla nascita di uno stato coerente macroscopico esteso su più spot laser. In questo regime, il sistema si comporta come una rete di oscillatori accoppiati che si sincronizzano spontaneamente. “Sorprendentemente, ciò avviene nel regime di accoppiamento debole luce-materia, in cui luce e materia interagiscono solo debolmente e non formano stati ibridi luce-materia, al contrario di quanto avveniva in studi precedenti, dove tale natura ibrida dello stato eccitato era considerata essenziale”, dichiara Dmitry Solnyshkov, fisico teorico del CNRS, Francia.
Un vantaggio chiave della nuova piattaforma è la sua sintonizzabilità elettrica. Applicando una piccola tensione, i ricercatori possono riorientare le molecole del cristallo liquido all’interno della cavità. Questo modifica la propagazione della luce e consente di accendere o spegnere l’interazione tra gli spot laser e di controllare l’intensità dell’accoppiamento fra di essi. Modifica inoltre la direzione e la polarizzazione della luce emessa, inducendo effetti analoghi all’accoppiamento spin-orbita dei fotoni. Questo livello di controllo permette la riconfigurazione dinamica del “supermodo” laser in tempo reale.
“Il meccanismo alla base dell’effetto si fonda su un sottile processo fisico”, aggiunge Dmitriy Dovzhenko, “Quando il laser è eccitato, le proprietà ottiche del materiale si spostano leggermente, creando un potenziale efficace localizzato all’interno dell’area eccitata del campione che spinge i fotoni a propagarsi lontano dallo spot di lasing nel piano della cavità. Questi fotoni coerenti in propagazione mediano l’interazione tra gli spot laser distanti, permettendo loro di sincronizzarsi anche quando sono separati da decine di micrometri”.
Luciano Ricco, attualmente post-doc presso l’Università di Varsavia, commenta: “Mostriamo che tale comportamento, finora osservato solo in sistemi luce-materia in accoppiamento forte, può essere spiegato teoricamente e verificato numericamente con un approccio semi-classico basato sulle equazioni di Maxwell-Bloch, comunemente impiegate in fisica dei laser per descrivere la dinamica di un sistema quantistico a due livelli che interagisce con il modo elettromagnetico di un risonatore ottico”.
“Si tratta di un modo concettualmente diverso di accoppiare laser”, spiega Jacek Szczytko della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia — “Invece di basarci su forti interazioni tra luce e materia, sfruttiamo la propagazione della luce stessa”.
I risultati aprono una nuova strada verso sistemi fotonici scalabili e ri-programmabili, con potenziali applicazioni nel calcolo ottico e nelle reti neurali, oltre che per simulatori fotonici di sistemi complessi. Un controllo aggiuntivo può risultare cruciale nel beam shaping e nelle tecnologie laser avanzate. Si aprono inoltre nuove possibilità nei circuiti ottici integrati. Poiché il sistema opera a temperatura ambiente e impiega materiali ben consolidati, esso offre una via promettente verso dispositivi di uso pratico.
Al di là delle applicazioni, il lavoro mette in discussione un’assunzione di lunga data nella fotonica, ossia che gli stati collettivi complessi della luce richiedano un accoppiamento forte luce-materia e ambienti criogenici. Mostra invece che una fisica analoga può emergere in sistemi semiclassici più semplici, a patto che siano soddisfatte le giuste condizioni di eccitazione e propagazione della luce.
Per informazioni:
Simone De Liberato
Cnr-Ifn
simone.deliberato@cnr.it
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