Non è ancora chiaro a che cosa serva, però
di Silvia Fracchia
Non impossibile, però. Un gruppo di studiosi della Yale University di New Haven, nel Connecticut, capitanati da Hui Cao e Douglas Stone, è riuscito a invertire temporalmente uno dei meccanismi fisici più raffinati e ricchi di applicazioni: l’emissione laser. La realizzazione del loro anti-laser è descritta minuziosamente in un articolo pubblicato su “Science”.
Il laser rappresenta un magnifico esempio di fusione tra scienza e tecnologia e mostra come sia possibile manipolare le proprietà di un sistema fisico per ottenere un prodotto di interesse pratico: nel caso in questione, è un fascio di luce estremamente collimato e monocromatico, ossia formato da fotoni tutti con la stessa frequenza, che trova impiego in una vastissima gamma di applicazioni, dalla medicina all’industria.
I costituenti di un dispositivo laser: mezzo ottico attivo (1), energia fornita al mezzo ottico (2), specchi (3-4), fascio laser in uscita (5)
La creazione di un fascio laser si basa sul concetto di emissione stimolata. Supponiamo di avere un mezzo ottico, ad esempio un gas, nel quale viene fatta passare della luce. Essa verrà in generale assorbita dagli atomi del gas, provocandone l’eccitazione. Tuttavia, nel caso in cui alcuni di questi atomi si trovino già su uno stato eccitato, la radiazione potrebbe far sì che essi si diseccitino, emettendo un fotone: si parla allora di emissione stimolata. Il pregio di questi fotoni emessi sotto lo stimolo della stessa radiazione è che sono coerenti, ossia sono tutti in fase uno con l’altro, a differenza di quelli emessi spontaneamente da un atomo che si diseccita. Come fare, allora, per avere una prevalenza di emissione stimolata? Occorre far sì che il nostro mezzo ottico abbia un maggior numero di atomi eccitati rispetto a quelli nello stato fondamentale, realizzando la cosiddetta inversione di popolazione. Per fare ciò, è necessario fornire una certa quantità di energia esterna al sistema, che viene poi posto in una cavità amplificatrice dotata di specchi, per mezzo dei quali, in seguito a ripetute riflessioni lungo una certa direzione, è possibile ottenere il fascio collimato e monocromatico.
La luce è assorbita dall'anti-laser e convertita in calore. (Cortesia: Yale/Yidong Chong)
Cao e Stone, a partire dal 2010, si sono arrovellati sulla possibilità di realizzare il processo inverso, ossia fare in modo che un dispositivo laser assorba il fascio anziché crearlo. E hanno trovato la soluzione. Al posto del sistema di gas e specchi, il gruppo della Yale University ha utilizzato un sottile wafer di silicio spesso 110 micron. Un fascio laser viene sdoppiato e le due parti fatte incidere su entrambi i lati del wafer: ecco allora che, regolando opportunamente i fasci, le pareti del wafer si comportano come specchi e intrappolano i fotoni al loro interno. Dopo varie riflessioni, i fotoni vengono totalmente assorbiti dal silicio racchiuso tra le pareti, che svolge quindi la funzione del gas del dispositivo. In conclusione, la luce laser di partenza viene assorbita e convertita in calore da questo anti-laser.
Tutto ciò potrebbe sembrare a prima vista inutile: perché mai voler distruggere un fascio laser creato con tanta fatica e tanto ingegno? Pare tuttavia che l’anti-laser possa trovare utili applicazioni nell’optoelettronica o come sensore ultrasensibile in grado di convertire un segnale laser debole in uno termico più intenso.
Ad ogni modo, anche se al momento le applicazioni scarseggiano, non c’è dubbio che se ne troveranno in futuro. L’aspetto più interessante di questa scoperta resta il fatto di essere riusciti a scovare qualcosa di nuovo in un territorio che si riteneva ormai quasi del tutto esplorato.
Wan, W., Chong, Y., Ge, L., Noh, H., Stone, A., & Cao, H. (2011). Time-Reversed Lasing and Interferometric Control of Absorption Science, 331 (6019), 889-892 DOI: 10.1126/science.1200735
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