Lo specchio più preciso del mondo

RICERCANDO ALL’ESTERO – “L’ottica è un passepartout per tantissime tecnologie. E quello dei free electron laser è un campo di frontiera che nei prossimi vent’anni ci permetterà di imparare un gran numero di cose: attualmente di queste strutture ce ne sono due, una a Stanford (Stati Uniti) e una in Giappone. In Europa stiamo costruendo la terza, ad Amburgo”.

Nome: Maurizio Vannoni
Età: 42 anni
Nato a: Prato
Vivo a: Amburgo (Germania)
Laurea in: ottica (Firenze)
Ricerca: Metrologia ottica a livello di singoli nanometri
Istituto: European X-Ray Free-Electron Laser (Amburgo, Germania)
Interessi: viaggiare, leggere, cinema
Di Amburgo mi piace: l’architettura, l’organizzazione
Di Amburgo non mi piace: il meteo, il cibo (in particolare il caffè)
Pensiero:  Festina lente. (Affrettati ma con prudenza, attribuita all’imperatore Augusto)

La metrologia ottica è un campo della fisica che combina la scienza della misura e l’utilizzo della luce. Le misure ottiche hanno tantissime applicazioni, per esempio per valutare la precisione delle lenti da inserire in un microscopio o in un telescopio o per migliorare le caratteristiche degli specchi ultrapiatti usati negli esperimenti con fasci di raggi X.

In cosa consiste il progetto europeo XFEL (X-Ray Free Electron laser)?
Consiste nella realizzazione di un’infrastruttura sotterranea, ovvero un tunnel lungo 3,5 km, in grado di generare luce a raggi X ad alta intensità e in cui sarà possibile condurre una grande varietà di esperimenti, dalla cristallografia alla chimica.
La struttura è simile a quella dei sincrotroni, solo che invece di essere circolare, è costituita da una specie di cannone rettilineo che, nella prima parte, accelera gli elettroni fino alla velocità della luce; gli elettroni vengono poi fatti oscillare da una serie lunga di magneti e, oscillando, generano raggi X; una volta eliminati gli elettroni, i raggi X continuano a viaggiare lungo il tunnel fino a raggiungere il fondo dove è stato allestito l’esperimento.

Qui entra in gioco il mio lavoro: se per ogni fascio di elettroni si potesse fare un unico esperimento, la struttura non sarebbe molto efficiente, soprattutto dal punto di vista economico (per l’intero progetto è stata stimata una spesa di circa 1,2 miliardi di euro). Perciò alla fine del tunnel bisogna posizionare un sistema che pieghi il fascio di raggi X e lo indirizzi nello spazio circostante in modo da raggiungere più stazioni sperimentali. L’unico modo per deviare i raggi X è usare gli specchi, un po’ come quando alle elementari ci divertivamo con l’orologio a puntare i raggi del Sole su oggetti specifici.
Ovviamente le cose sono più complicate, stiamo pur sempre parlando di raggi X e, se lo specchio non è fatto con i materiali opportuni, i raggi andranno dritti e lo attraverseranno come succede al nostro corpo nelle radiografie. Inoltre, gli specchi devono essere molto precisi, qualsiasi imperfezione della superficie comprometterebbe il risultato dell’esperimento perché il fascio riflesso non sarebbe più perfetto come alla partenza.

XFEL è ancora in fase di costruzione, si trova ad Amburgo e contiamo di vedere la luce in fondo al tunnel nella seconda metà del 2017.

Di cosa sono fatti questi specchi?
Sono fatti di silicio monocristallino, lo stesso materiale dei microchip dell’industria elettronica solo che in XFEL gli specchi hanno le dimensioni di parallelepipedi lunghi 1 m e larghi 50 – 70 mm, con un peso di circa 12 kg. La superficie può avere qualsiasi forma, piana, sferica o ellittica, ma il requisito principale è che sia precisa dentro al nanometro, 1 o 2 nm al massimo. Non è una cosa semplice da ottenere, anche perché più in piccolo si va più la parola precisione acquista significati diversi: per esempio, se vogliamo misurare l’altezza di una porta in metri, possiamo usare un classico metro da sarta ma se ci viene richiesta una precisione di micrometri, dobbiamo ricorrere a mezzi più perfezionati e costosi. Se la misura deve essere precisa addirittura al nanometro, cominceremmo a chiederci cosa si intende per altezza della porta, perché un nanometro equivale a 10 atomi e quando arrivi a questi livelli forse una porta non è neanche più una porta.

Il mio lavoro consiste nel fare misure ottiche per valutare la precisione degli specchi usati in XFEL e da qui capire se vanno bene per gli esperimenti programmati o se possono essere migliorati.

Come si misura la precisione degli specchi?
Ci sono diversi tipi di metodi, quello che uso io sfrutta il principio fisico dell’interferometria, in cui un fascio laser viene riflesso sia da una superficie di riferimento sia dallo specchio in oggetto. Le due riflessioni raggiungono lo strumento di analisi, si combinano tra di loro e originano il fenomeno dell’interferenza: in base al ritardo di un fascio rispetto all’altro, siamo in grado di misurare in maniera molto precisa eventuali differenze di forma nella superficie dello specchio.

Si usa l’ottica, cioè la luce, perché non possiamo assolutamente toccare lo specchio, né con i guanti né con i sensori usati nell’industria per esempio delle lenti per gli occhiali, altrimenti perderemmo la precisione della superficie. Per precisione intendo una superficie priva di impurità e geometricamente perfetta, al nanometro. Per fare un paragone con numeri a cui siamo più abituati, immaginiamo di voler viaggiare su un’autostrada lunga 1 km e perfettamente liscia, in cui la massima profondità di eventuali dossi, buche e cunette che possiamo tollerare è di 2 micrometri. Sapendo che i nostri capelli hanno un diametro di 20 micrometri, se sulla strada perfetta cadesse un capello quella superficie non andrebbe più bene.

Qual è il vantaggio di una struttura rettilinea rispetto a una circolare?
Il punto di forza di XFEL è la precisione delle analisi, e quindi la precisione degli specchi, che si traduce in una maggiore qualità dei risultati degli esperimenti che si possono realizzare in queste strutture.

Le nostre misurazioni non puntano solo a migliorare le superfici ottiche ma sono utili per migliorare il lavoro dei produttori di questi specchi e le simulazioni dei fisici teorici. Esistono modelli numerici che simulano gli esperimenti con i raggi X e che, tra i loro parametri, includono le caratteristiche degli specchi usati per la riflessione: in base ai risultati, si valuta se la precisione dello specchio è sufficiente per quel tipo di esperimento o se invece bisogna migliorare le superfici.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
Nell’immediato, vorrei riuscire a dare informazioni ancora più precise su questi specchi. Ma dato che non si vive di sola metrologia, a livello personale mi piacerebbe molto essere coinvolto anche negli esperimenti che sfrutteranno la precisione degli specchi che stiamo mettendo a punto.

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