Giocoleria con fotoni

Dalla mostra Digital Life 2010 a Roma.

Ho da pochi giorni iniziato la mia avventura al LENS, il Laboratorio Europeo per la Spettroscopia Non-lineare presso l'Università di Firenze, in qualità di addetto alla comunicazione dell'istituto. La mia formazione da fisico mi aiuta molto, ma il laser non è certo la mia specialità, io che ho studiato uccelli! :) La struttura del LENS è abbastanza complicata, per l'estrema varietà di ricerche che vi si conducono, e mi ci sto addentrando piano piano, leggendo voracemente e chiacchierando con qualsiasi studente o ricercatore che mi capiti a tiro. In generale le aree tematiche presidiate sono fisica atomica, biofisica, tutto ciò che riguarda struttura, dinamica e reattività chimica e fotonica. Oggi voglio spendere due parole proprio su quest'ultima, la fotonica.

Si tratta del settore della fisica che mira a manipolare la luce al livello dei singoli fotoni per ricerche di fisica fondamentale. Il modello teorico di base rimane nel frame concettuale della fisica classica: esso fornisce le indicazioni per preparare adeguatamente il materiale di cui studiare le caratteristiche nella sua interazione con la luce sotto determinate condizioni. L'interesse per questa disciplina sta nel fatto che fenomeni ondulatori classici come il trasporto di onde luminose o sonore hanno delle controparti quantistiche nel caso di elettroni che si muovono in semiconduttori o materia in condizioni estreme.

Onde elettroniche di un elettrone intrappolato in una gabbia circolare
di atomi di ferro. Credit: http://physics.weber.edu.

Le applicazioni sono numerose: produzione di schermi, guide d'onda, materiali in grado di rallentare la luce, nano-cavità ottiche, device per la computazione quantistica, nuovi materiali per i pannelli solari. Il principale strumento è il laser impulsato, fino a poche decine di femtosecondi, mentre i materiali studiati vanno dai cristalli ordinati ai quasi cristalli, fino a strutture mesoscopiche disordinate. In quest'ultimo caso il disordine può produrre fenomeni particolari di grande interesse, come la localizzazione di Anderson, individuata in primis nelle onde elettroniche, ma dalla validità generale: proprio a causa della struttura disordinata del medium, viene soppressa la diffusione delle onde e quindi il trasporto.

Una rappresentazione della localizzazione di Anderson in una dimensione.
Credit: Institut d'Optique.

Il fenomeno fisico che fa da sfondo a queste ricerche è sempre l'interferenza, strettamente legata alla natura ondulatoria della luce. In questo caso la dimensionalità dei campioni analizzati è cruciale: in tre dimensioni spesso le condizioni devono essere troppo marcate per avere effetti visibili interessanti, mentre in una e in due dimensioni è possibile accedervi con più facilità e utilità.