Onda e particella: fotografata la doppia personalità della luce
Newton
pensava fosse fatta di particelle, Huygens di onde. Dalla parte delle
onde troviamo Maxwell, da quella delle particelle Einstein. Giganti
di qua, giganti di là. La meccanica quantistica è arrivata alla
conclusione salomonica che la luce è sia onda sia particella.
Prevale una o l’altra delle due personalità a seconda del fenomeno
che si osserva. Per esempio è onda se facciamo un esperimento di
interferenza, ed è particella se cerchiamo di capire come funziona
una cella fotovoltaica. L’Anno Internazionale della Luce 2015,
proclamato dall’Unesco, va in archivio con una immagine
eccezionale: per la prima volta gli scienziati sono riusciti a
“fotografare” (le virgolette sono d’obbligo) la duplice
personalità della luce. L’ha ottenuta un gruppo di ricercatori
coordinato dall’italiano Fabrizio Carbone al Politecnico di Losanna
(Svizzera), l’articolo è comparso in marzo su “Nature
Communications”.
Nell’esperimento
di Fabrizio Carbone, Luca Piazza e colleghi, un impulso di luce laser
è stato sparato su un nanofilo metallico. La luce sul filo ha
cominciato a circolare come un’onda, in due direzioni opposte fino
al punto in cui le onde si sono scontrate. Dallo scontro è nata una
nuova onda, che è rimasta però sempre nella stessa zona di spazio.
Gli scienziati hanno poi sparato un flusso di elettroni vicino al
nanofilo: urtando l’onda stazionaria, gli elettroni sono stati
accelerati, rallentati o deflessi. Un microscopio ultraveloce ha
fotografato la posizione in cui si è verificata la variazione di
velocità, visualizzando l’onda. Nello stesso istante è stata
fissata anche l’immagine delle particelle: quando gli elettroni
passano vicino all’onda stazionaria, colpiscono le particelle della
luce (fotoni) e queste subiscono un cambiamento di velocità che
appare come uno scambio di pacchetti di energia tra elettroni e
fotoni. La presenza dei pacchetti è la spia che gli elettroni hanno
interagito con un’altra particella: quella della luce, il fotone.
Complicato da spiegare e da capire, ma possiamo accontentarci di
intuire le onde negli allineamenti e i fotoni nelle cuspidi colorate
dell’immagine.
Un
altro risultato interessante dell’Anno della luce se lo portano a
casa i ricercatori dell’Istituto di Nanotecnologia del Cnr guidati
da Daniele Santovitto in collaborazione con il Russian Quantum Center
di Mosca e con le Università di Roma Tor Vergata, Madrid e
Singapore. Il loro lavoro riguarda la polarizzazione della luce, che
in questo caso deve essere considerata nella veste di onda
elettromagnetica “alla Maxwell”.
In
un’onda elettromagnetica, il campo magnetico – perpendicolare
alla direzione del moto dell’onda – può oscillare in un piano
verticale e in un piano orizzontale. La luce con cui abbiamo a che
fare di solito è un mix di onde polarizzate in tutte le direzioni,
sia perpendicolarmente sia orizzontalmente. Gli effetti si elidono ed
è come se la luce non fosse polarizzata. Ma ci sono dei casi in cui
invece la luce viene riflessa in modo selettivo a seconda della sua
polarizzazione: per esempio quando a rifletterla sono una lama
d’acqua, una superficie ghiacciata o l’asfalto della strada in
presenza di particolari condizioni termiche. Con gli occhiali
polarizzatori, eliminiamo una delle due polarizzazioni, quella
orizzontale, e così evitiamo gli abbagliamenti dovuti alle superfici
del mare o dei ghiacciai. Certi gamberetti hanno occhi sensibili alla
polarizzazione e se ne servono per individuare meglio il plancton di
cui si nutrono.
Il
gruppo di Daniele Santovitto ha ottenuto una luce che alterna tutte
le polarizzazioni possibili in un centesimo di miliardesimo di
secondo. Questo nuovo tipo di luce può rivelarsi utile in campo
medico e nei lidar (radar a luce) usati per tenere sotto contro
l’atmosfera, polveri sottili e inquinanti vari inclusi. Il lavoro è
pubblicato sulla rivista “Light Science & Applications”.
Chiudiamo
con la “luce estrema”: quella dei laser più potenti mai
realizzati. Il primo laser ottico risale al 1960 ed emetteva impulsi
di luce deboli e irregolari. Con l’evoluzione della tecnica, il
laser ha trovato un grande numero di applicazioni: dai banali
puntatori che usano i conferenzieri ai bisturi dei chirurghi, dal
taglio ultrapreciso di lamiere nell’industria alle
telecomunicazioni spaziali, per non parlare degli usi militari.
Parallelamente è aumentata anche la loro potenza. Dai millesimi di
watt si è arrivati a un milione di miliardi (1 petawatt).
Nell’ottobre dell’anno scorso, nella Repubblica Ceca, è stato
inaugurato il centro laser europeo ELI (Extreme Light Infrastructure,
progetto da 6,5 milioni di euro) dove si ottengono impulsi di luce
della durata di femtosecondi (milionesimi di miliardesimi di secondo)
con la potenza di 10 petawatt. Impulsi di qualche attosecondo
(miliardesimi di miliardesimi di secondo) sono ormai alla portata dei
laboratori. E’ il tempo di oscillazione di un elettrone intorno a
un nucleo atomico. Laser con queste caratteristiche eccezionali
potranno innescare la fusione nucleare controllata per produrre
energia in quantità quasi illimitata e aprire nuovi orizzonti alla
ricerca in fisica fondamentale.
PIERO
BIANUCCI per La StampaScienze.it
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