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Giochi di luce

Due ricerche di giovani talenti e uno meno giovane stupiscono con effetti speciali, teorie infrante e nuove applicazioni della fotonica.

FUTURO – Qualcuno ricorderà Giulio Casati, dell’università dell’Insubria: nel gennaio 2008 era stato il primo a mandare soldi  da Como a Chiasso con un esperimento di crittografia quantistica perfettamente riuscito, nessuno gli ha portato via i 10 euro virtuali mentre li trafugava in Svizzera. Il 22 aprile scorso, insieme al “giovane collaboratore” Stefano Lepri dell’Istituto per i sistemi complessi del CNR, a Firenze, ha smentito sulle Physical Review Letters il teorema secolare della reciprocità, secondo il quale un’onda di luce attraversa un materiale trasparente nello stesso modo da destra o sinistra, da su o giù. Se accendete una lampada fuori o dentro dalla finestra la vedete comunque.

I fisici cercano di costringere la luce a seguire la strada che dicono loro in cristalli fotonici con i quali costruire dei diodi, come quelli che fanno passare la corrente elettrica in un senso e la bloccano nell’altro, ma con fotoni al posto degli elettroni. E’ possibile, ma solo se il cristallo genera un’onda la cui frequenza è doppia di quella originale. Nel cristallo-diodo si blocca, quella originale però non ne vuole sapere.

Con l’equazione non lineare discreta di Schroedinger, “la più semplice” per calcolare un’onda sola, Stefano Lepri e Giulio Casati hanno creato un modello teorico in cui due strati di un materiale non lineare modificano le proprietà dell’onda e a seconda della direzione da cui proviene, ne lasciano passare solo una determinata frequenza. Il diodo a fotoni ancora non c’è, ma i materiali non lineari esistono già, in vetro e anche in plastica.

Se mancano frequenze, vuol dire off.

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L’anti -disordine

Qualcuno ricorderà Jacopo Bertolotti:  nel maggio 2008 aveva moltiplicato la luce grazie a un disordine orchestrato dai “voli di Levy” finiti  in copertina di Nature.  Allora era precario al LENS di  Firenze, adesso è ricercatore  a contratto all’università di Twente, nei Paesi Bassi. Dal 27 aprile è ufficiale:  insieme a due dottorandi ai quali fa da mentore e ad altri colleghi ha rivoluzionato (1) il microscopio ottico e smentito un limite teorico. Fa anche rima.

Nella ricerca in nanoscienze, si usano microscopi a forza atomica, a scansione elettronica o di sonda con effetto tunnel e altre diavolerie quantistiche per ottenere immagini del campione a partire dalle sue interazioni con dei sensori. Anche il più potente dei microscopi ottici ha un limite di diffrazione, infatti: non fa vedere niente che abbia una dimensione inferiore a metà della lunghezza d’onda della luce. In pratica le lenti normali non raggiungono nemmeno il limite previsto dalla teoria per via delle “aberrazioni” che sfocano l’immagine. Se si illumina il preparato con un fascio laser è ancora peggio:  sulla sua superficie appaiono puntini a caso, formano aloni e non c’è verso di ricostruirne l’aspetto.

I puntini random erano un invito a nozze. Jacopo et al. hanno realizzato con fosfuro di gallio – ad alto  indice di rifrazione – una lente dalla superficie disordinata apposta per sparpagliare la luce. Lo sparpagliamento (scattering) è noto, quindi si può accoppiare esattamente con quello della luce inviata sul campione così da mettere la lente a “nano-fuoco”.  Questa ha una risoluzione spaziale di 97 nanometri, due volte migliore delle lenti convenzionali. Siccome è spessa soltanto 400 micron, è pure economica. E siccome è adattabile alle altre tecniche di microscopia, può accrescere la risoluzione persino dei microscopi confocali usati per mappare in tre dimensioni quel che c’è dentro le cellule.

lens

La prova-finestra con nanoparticelle d’oro.

(1) Hanno anche battuto un record del mondo? L’articolo è arrivato alla redazione delle Physical Review Letters  il 1 aprile e, come si vede dal timbro, il 4 aprile ne era già approvata la pubblicazione.


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