Esperimento di trasmissione OAM onde radio con vorticità a Venezia
Fabrizio Tamburini - 24 giugno 2011
Si è tenuto a Venezia in data 24 giugno 2011 l'annunciato esperimento dimostrativo di trasmissione e ricezione di segnali radio con vorticità OAM (Orbital Angular Momentum).
La trasmissione è stata effettuata da una delle torrette della darsena dell'isola di San Giorgio verso la loggia di Palazzo Ducale prospiciente il molo di San Marco.
Il sistema era costituito da due trasmettitori e relative antenne posizionati presso San Giorgio e dal sistema di ricezione collegato a due antenne ubicato nella loggia di Palazzo Ducale.
Lo scopo dell'esperimento era quello di trasmettere simultaneamente due segnali distinti su due portanti fisiche con la stessa frequenza di 2,414 GHz, la prima in polarizzazione lineare e OAM con l=0 e l'altra in modalità OAM con l=-1, per poi in fase di ricezione separare spazialmente la portante vorticosa da quella normale agendo sul posizionamento di una delle due antenne yagi collegate tramite uno splitter al ricevitore.
L'esperimento ha avuto pieno successo e si è così dimostrata la possibilità di trasmettere simultaneamente più canali fisici sulla stessa frequenza con notevoli implicazioni possibili nello sviluppo delle radiotelecomunicazioni future.
L'esperimento ha avuto pieno successo e si è così dimostrata la possibilità di trasmettere simultaneamente più canali fisici sulla stessa frequenza con notevoli implicazioni possibili nello sviluppo delle radiotelecomunicazioni future.
In meccanica quantistica la radiazione elettromagnetica è descritta come un insieme di particelle prive di massa, i fotoni, che trasportano Energia, Quantità di Moto e Momento Angolare (AM).
Il Momento Angolare (AM) é dovuto a due gradi di libertà rotazionali indipendenti: il Momento Angolare di Spin (SAM) legato alla polarizzazione e il Momento Angolare Orbitale (OAM).
Nel caso dei fotoni i due stati di polarizzazione circolare destrosa e sinistrosa corrispondono alle componenti +1 e -1 (±ħ) nella direzione dell'impulso (elicità).
L’OAM trasportato è pari a lħ per fotone. Il numero quantico l viene definito anche "carica topologica del vortice ottico".
Il Momento Angolare Totale, che è la quantità che si conserva, è espresso come la somma dei due termini Momento Angolare di Spin (SAM) intrinseco e il Momento Angolare Orbitale (OAM) estrinseco che singolarmente non si conservano.
Il Momento Angolare (AM) é dovuto a due gradi di libertà rotazionali indipendenti: il Momento Angolare di Spin (SAM) legato alla polarizzazione e il Momento Angolare Orbitale (OAM).
Nel caso dei fotoni i due stati di polarizzazione circolare destrosa e sinistrosa corrispondono alle componenti +1 e -1 (±ħ) nella direzione dell'impulso (elicità).
L’OAM trasportato è pari a lħ per fotone. Il numero quantico l viene definito anche "carica topologica del vortice ottico".
Il Momento Angolare Totale, che è la quantità che si conserva, è espresso come la somma dei due termini Momento Angolare di Spin (SAM) intrinseco e il Momento Angolare Orbitale (OAM) estrinseco che singolarmente non si conservano.
La luce trasporta informazioni, rilevabili dalla sua lunghezza d'onda, intensità, polarizzazione.
Le proprietà della luce che non vengono tutt'ora utilizzate sono circa un centinaio tra cui il momento angolare orbitale con la vorticità ad esso associata.
La luce dotata di questo “momento angolare orbitale” si propaga attorcigliando i vettori del campo un numero intero di volte nello spazio di una lunghezza d’onda.
Il primo a menzionare questa proprietà fu Poynting nel 1909 e a seguire Majorana, con un elegante formulazione matematica, descrisse gli aspetti quantistici del campo elettromagnetico evidenziando alcuni casi di singolarità che poi saranno i cosiddetti vortici ottici.
Quando un fotone trasporta una certa quantità di momento angolare presenta una singolarità in cui il campo è nullo, circondata da una regione luminosa la cui ampiezza è proporzionale alla radice del momento angolare stesso.
Se una particella viene investita da questo fotone, gli viene trasferito il momento angolare.
Un fotone può contenere questa informazione al momento della sua creazione o la si può imporre lungo il suo cammino ottico.
In laboratorio è possibile ciò con delle maschere di fase a forma di "scala a chiocciola" miniaturizzata, la cui realizzazione è concretizzata dalle nanotecnologie.
Le proprietà della luce che non vengono tutt'ora utilizzate sono circa un centinaio tra cui il momento angolare orbitale con la vorticità ad esso associata.
La luce dotata di questo “momento angolare orbitale” si propaga attorcigliando i vettori del campo un numero intero di volte nello spazio di una lunghezza d’onda.
Il primo a menzionare questa proprietà fu Poynting nel 1909 e a seguire Majorana, con un elegante formulazione matematica, descrisse gli aspetti quantistici del campo elettromagnetico evidenziando alcuni casi di singolarità che poi saranno i cosiddetti vortici ottici.
Quando un fotone trasporta una certa quantità di momento angolare presenta una singolarità in cui il campo è nullo, circondata da una regione luminosa la cui ampiezza è proporzionale alla radice del momento angolare stesso.
Se una particella viene investita da questo fotone, gli viene trasferito il momento angolare.
Un fotone può contenere questa informazione al momento della sua creazione o la si può imporre lungo il suo cammino ottico.
In laboratorio è possibile ciò con delle maschere di fase a forma di "scala a chiocciola" miniaturizzata, la cui realizzazione è concretizzata dalle nanotecnologie.
Altresì come un particolare "fattore di forma geometrico" dell'antenna trasmittente può conferire vorticità alle onde radio così anche altri tipi di interazione e fenomeni naturali possono imprimere alle onde elettromagnetiche la stessa proprietà e in particolare la curvatura dinamica dello spazio-tempo.
Come previsto dalla Relatività Generale in prossimità di una sorgente gravitazionale rotante, come ad esempio un buco nero, lo spazio-tempo è come se venisse trascinato in modo vorticoso attorno alla massa rotante, è l'effetto di "Rotational frame-dragging" o Lense–Thirring effect evidenziato e misurato per la prima volta tramite sofisticati giroscopi posti in orbita con la missione "Gravity Probe B".
Come previsto dalla Relatività Generale in prossimità di una sorgente gravitazionale rotante, come ad esempio un buco nero, lo spazio-tempo è come se venisse trascinato in modo vorticoso attorno alla massa rotante, è l'effetto di "Rotational frame-dragging" o Lense–Thirring effect evidenziato e misurato per la prima volta tramite sofisticati giroscopi posti in orbita con la missione "Gravity Probe B".
In un recente lavoro pubblicato su arXiv Tamburini e altri ricercatori espongono le relazioni matematiche che legano le equazioni della Relatività Generale che descrivono un buco nero di Kerr rotante alle equazioni di Maxwell che descrivono i fenomeni elettromagnetici dimostrando che tale rotazione imprime stati di vorticità sulla luce che transita in prossimità del buco nero.
Telescopi opportunamente attrezzati per rilevare i fotoni con vorticità potrebbero quindi per la prima volta misurare la rotazione dei buchi neri galattici ed extragalattici.
Bibliografia:
- Encoding many channels in the same frequency through radio vorticity: first experimental test (arXiv:1107.2348)
- Twisting of light around rotating black holes (arXiv:1104.3099)
