"Vorticità" delle onde: segnali avvitati come fusilli per trasmettere più informazione sulla stessa frequenza

Forse ricordate da questo blog le "onde a cavatappo" di Fabrizio Tamburini, l'astrofisico padovano che l'anno scorso a Venezia doveva sperimentare un sistema che sfrutta la "vorticità" delle onde elettromagnetiche per trasmettere diversi canali si comunicazione sulla stessa frequenza "avvitandoli" in una forma a "fusillo". L'esperimento previsto per la scorsa estate aveva una prima volta dovuto essere rimandato, ma pochi giorni fa Tamburini ha pubblicato l'articolo che sancisce la riuscita dei suoi test veneziani: è stato davvero possibile inviare due segnali wi-fi a 2,4 GHz da San Giorgio a Palazzo Ducale, attraversando circa 400 metri di laguna. I due segnali non differivano per la frequenza, ma per la componente di momento angolare orbitale (OAM), una componente meno conosciuta, "L" del momento angolare totale J di un raggio elettromagnetico (l'altra componente è il momento angolare di spin). L'aspetto interessante è che "L" può essere considerato come una sovrapposizione di n eigen-valori quantici, caratterizzati ciascuno da un valore intero variabile da meno a più infinito. La teoria non impedirebbe quindi di trasmettere sulla stessa frequenza un numero infinito di segnali, a patto di avere un sistema di discriminazione a risoluzione infinita. Sembrerebbe che per il momento il professore padovano e la sua equipe italo-svedese si accontenterebbe di trasmettere fino a OAM ±5, che corrisponderebbe a 11 eigen-valori diversi.

Le onde, ribattezzate opportunamente "a fusillo", hanno fatto il giro dei giornali di tutto il mondo. Qui per esempio c'è la notizia riportata da Physorg.com, che pubblica anche un video che riassume bene la teoria dietro questa innovazione.

La pubblicazione finale ha avuto luogo sulla rivista open-access New Journal of Physics ed è dunque liberamente disponibile in formato PDF. L'articolo si intitola "Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity: first experimental test" e porta le firme di Fabrizio Tamburini, Elettra Mari, Anna Sponselli, Bo Thidé, Antonio Bianchini e Filippo Romanato.

Le meravigliose onde radio a cavatappo

Spunta anche una sigla radioamatoriale, SM5DFW, nel curriculum del professor Bo Thidè, un astrofisico svedese dell'Istituto di Fisica dello Spazio che si occupa, tra le altre cose, di emissioni radio dei plasmi e radioastronomia su basse frequenze ed è co-autore delle ricerche che hanno portato alla scoperta di nuove applicazioni della trasmissione di onde radio e alla moltiplicazione delle risorse spettrali esistenti. Ma c'è anche la firma di un astrofisico italiano dell'università di Padova, Fabrizio Tamburini, che già nel 2010, invitato a presentare queste ricerche al "Celsius Symposium 2010" aveva annunciato le potenziali applicazioni di tecniche sviluppate in campo radioastronomico per lo studio dei buchi neri rotanti.

Tutto nasce dallo studio degli effetti di grosse masse gravitazionali sulla luce, che passando radente a queste masse subisce un effetto di "vorticità" o "momento angolare orbitale" simile all'avvitamento di un cavatappi. Tamburini e Thidé hanno studiato il modo di osservare questi effetti e di riprodurli in trasmissione, utilizzando particolari tipi di array di antenne. In gioco non c'è solo la capacità di rilevare questa forma di spin ottico nell'osservazione dei buchi neri (possibilità comunque interessante perché consente di validare in modo più preciso le teorie einsteiniane della relatività generale). La vorticità ottica potrebbe essere applicata anche alla ricetrasmissione radio per incrementare la capacità di banda di una porzione di spettro. La vorticità o spin di una portante potrebbe diventare una nuova "dimensione" di multiplazione, insieme alla suddivisione di tempo, frequenza, polarizzazione, per trasmettere più informazione su uno stesso canale. Le onde radio a cavatappo (o "a fusillo" come titolava lo scorso anno TGR Leonardo) possono essere intrecciate tra loro, in modo che più portanti a frequenza identica ma a diversa vorticità, possano viaggare senza interferirsi a vicenda.

Secondo gli articoli apparsi in questi giorni su riviste scientifiche come Nature e Scientific American, si potrebbero ottenere incrementi di capacità di almeno nove volte. Come dire che i 20 programmi e rotti di un multiplex DAB+ potrebbero diventare quasi 200.

Un primo esperimento di trasmissione "vorticosa" si terrà tra pochi giorni a Venezia, in occasione di un simposio organizzato per la presentazione al grand pubblico dei due ricercatori. Dall'11 al 12 marzo l'evento che si terrà alla Fondazione Giorgio Cini prevede anche una sessione sperimentale con un tentativo di collegamento a onde vorticose tra Piazza San Marco e l'Isola San Giorgio. I dettagli di questo evento si trovano sul sito Vortici e Frequenze. Un articolo su Science News descrive in modo accurato il significato e la portata degli esperimenti italo-svedesi.

(Grazie a Renato per la segnalazione dell'articolo apparso in questi giorni su S.A.)

Black holes take light for a spin

Newly discovered effect could aid observations of Milky Way's monster

By Ron Cowen

Given how weird black holes are, it’s only fitting that researchers have found a screwy way to detect the rotation of these gravitational monsters. Existing telescopes could be equipped with special detectors to record the twist imprinted on light waves that pass near a rapidly spinning black hole, Bo Thidé of the Swedish Institute of Space Physics in Uppsala and his colleagues report online February 13 in Nature Physics.

The newly discovered effect that spinning black holes have on light waves is a consequence of Einstein’s theory of relativity and based on numerical simulations performed by his team, says Thidé. Researchers had already predicted and found some evidence that rotating black holes and neutron stars stir the fabric of surrounding space and time like pancake batter, an effect known as frame dragging (SN: 9/2/00, p. 150).

But researchers hadn’t explored in detail the possibility that rotating black holes could also take light for a spin, imparting angular momentum to the radiation, comments Martin Bojowald of Pennsylvania State University in University Park. “The black hole influences spacetime in such a way that light with net orbital angular momentum is automatically produced,” he says.

Light waves are made up of crests and troughs. Those light waves that travel in unison and unimpeded through space have wave fronts — the imaginary surface over which the crest of one wave lines up with the crest of another — that are planes. In contrast, when light passes near a black hole, each photon acquires a twist that alters the wave surface from a plane to a spiral staircase centered around the direction of travel of the light beam.

“What is new and exciting is the proposal that the effect is actually measurable for the black hole at the center of our galaxy,” says Saul Teukolsky of Cornell University.

Thidé says his team will review radio telescope observations of the Milky Way’s supermassive black hole to see if the twisted light effect has already shown up. Bojowald says the technique “will not be an immediate tool for actual observations of black holes, but it looks promising enough to suggest upgrading telescopes” so they can search for it.

In the meantime, he says, twisted light “gives us a new means to test general relativity and spacetime.”