Anche se l’utilizzo dei laser è oggi ampiamente diffuso, non è facile ricordare il significato del suo nome: Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, cioè Amplificazione di Luce tramite Emissione Stimolata di Radiazione. Ora però dobbiamo prepararci a imparare un altro acronimo, diverso solo nella iniziale: basta sostituire alla L di light (luce) la S di sound (suono) e si ottiene il Saser. La prima differenza tra i due dispositivi è che al posto dei pacchetti di onde luminose, i fotoni, nei Saser viaggiano pacchetti di onde meccaniche, i fononi.
Un recente artico sulla rivista Physical Review B ha rilanciato l’idea dei Saser a partire dalle ricerche di due gruppi di fisici dell’Università di Nottingham e del Lashkarev Institute of Semiconductor Physics di Kiev. Abbiamo chiesto a Giorgio Benedek, ordinario di fisica presso il Dipartimento di Scienza dei materiali dell’Università di Milano Bicocca, di spiegarci la caratteristiche e le prospettive di questi nuovi dispositivi.
Anzitutto, che cosa sono i fononi?
Come i fotoni sono i quanti del campo elettromagnetico (cioè le più piccole monetine con le quali il campo elettromagnetico riceve o cede energia), così i fononi sono i quanti del campo elastico (vibrazionale) di una molecola o di un solido. Trasportano energia come i fotoni e vale la stessa regola universale: data la loro frequenza il quanto di energia è la frequenza moltiplicata per la costante di Planck.
Come si possono utilizzare i fononi, “imitando” la tecnologia laser, per realizzare un laser sonoro, o Saser?
I fononi hanno già molti impieghi, specialmente quelli che viaggiano alla superficie dei materiali piezoelettrici, con frequenze nel dominio dei MegaHerz e GigaHerz (cioè milioni e miliardi di Herz). Nei piezoelettrici si converte direttamente energia elettrica in vibrazioni e viceversa: perciò un segnale elettrico ad alta frequenza può convertirsi in una vibrazione (fonone) e viceversa. I fononi di superficie (SAW = Surface Acoustic Wave) si possono quindi generare, rivelare, amplificare: con essi si fanno switch, filtri di banda e così via; in sostanza, sistemi integrati. Un impiego importante é nelle linee di ritardo dei radar, poiché i fononi viaggiano diecimila volte più lenti della luce. La scienza dei dispositivi a fononi si chiama fononica. L’accoppiamento con sistemi ottici genera fenomeni foto-elastici ed elasto-ottici, che suggeriscono invece futuri dispositivi foto-fononici. I lavori sui Saser, laser a fononi, iniziati una decina di anni fa (i gruppi di Nottingham e del Lashkarev di Kiev sono tra i pionieri), vanno in questa direzione. L’utilizzo di fasci coerenti di fononi (cioè il Saser) permette molte applicazioni, data anche la frequenza disponibile: tenga presente a frequenze dei TeraHerz (cioè milioni di milioni di Herz) le lunghezze d’onda dei fononi sono sotto il nanometro (miliardesimo di metro), mentre la luce ha lunghezze d’onda nel dominio del micron: perciò i fononi consentono applicazioni su scala nanometrica nonché diagnostica e microscopia con risoluzione nanometrica.
L’apparecchiatura, descritta nell’articolo di Physical Review B si basa su un super reticolo di semiconduttori per veicolare il fascio di fononi. Di cosa si tratta?
Su un super reticolo di semiconduttori, il più tipico di tutti GaAs/AlAs. I fononi generati hanno lunghezza d’onda in fase con il periodo del super-reticolo, il che consente amplificazione per risonanza con il periodo della costante d’accoppiamento piezoelettrica. In sostanza il laser eccita gli elettroni mandandoli in uno stato eccitato metastabile dove raggiungono un numero superiore al numero di elettroni nello stato di partenza (inversione di popolazione). In un laser ottico un fotone di passaggio stimola il ritorno di un elettrone allo stato di partenza emettendo un secondo fotone, e cosi via producendo un’amplificazione del numero di fotoni tutti uguali e in fase (emissione coerente). Nel SASER invece c’è una forte interazione tra il sistema degli elettroni e quello delle vibrazioni atomiche (accoppiamento piezoelettrico) per cui gli elettroni eccitati sono stimolati a rientrare alla base da un fonone di passaggio e questo genera emissione di altri fononi uguali dando luogo a un’emissione coerente. La coerenza implica anche che il getto di fononi è ben focalizzato in una certa direzione.
L’attuale Saser ha frequenze dell’ordine dei terahertz: è pensabile realizzare Saser con frequenze diverse?
Le frequenze fononiche più alte possibili sono appunto nei THz. La fisica dei THz ha oggi un’enorme importanza nel campo della sensoristica perché questa frequenza cade, per i fotoni, nell’infrarosso e ad essa rispondono le vibrazioni caratteristiche delle molecole. perciò sarebbe possibile con un laser infrarosso (che non si vede) eccitare a distanza una vibrazione e segnalarne la ri-emissione in modo da individuarla. Ad esempio si potrebbero “fiutare” a distanza gli esplosivi addosso alle persone: sono applicazioni che interessano moltissimo i militari e i sistemi di sicurezza (personalmente ho tenuto un corso alla mia scuola di Erice qualche anno fa su queste ricerche). Il SASER si inserisce bene nella fisica dei THz.
Quali le più interessanti possibili applicazioni dei Saser?
Proprio in base a queste frequenze, le principali applicazioni si possono avere in microscopia vibrazionale (diagnostica di difetti metallurgici), trasporto non dispersivo di energia, dispositivi di elaborazione dell’informazione. Ma vi saranno certamente altre possibilità nelle bio-tecnologie, in medicina, nelle diagnostiche Doppler, nella diagnostica ed ecografia dei materiali, nei cosidetti reticoli fononici (altra analogia con i reticoli fotonici con cui si cerca l'”invisibilitá”) e altre ancora.