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Lunedì, Agosto 19, 2019
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I primi passi verso il raggio traente


Il raggio traente, un pezzo forte della fantascienza, potrebbe essere un po’ più vicino alla realtà. In un articolo pubblicato a inizio primavera, alcuni fisici hanno proposto un dispositivo che può consentire alla luce di trainare oggetti.

Normalmente, la luce spinge gli oggetti, anche se debolmente. Nel campo della manipolazione ottica si usano “pinzette ottiche” che sfruttano questa forza di spinta per spostare gli oggetti microscopici, come atomi o batteri. La possibilità anche di trainarli aumenterebbe la precisione e la portata di questa tecnologia. Per i voli spaziali, gli ingegneri hanno già proposto l’uso di apposite vele per catturare la forza esercitata dalla luce.

Ma più che nello spazio, il raggio traente potrebbe rivelarsi utile in biologia e in medicina. "Se vuoi attirare qualcosa verso di te, basta ridurre la pressione", spiega Mordechai Segev, un fisico del Technion (Israel Institute of Technology), che descrive l’idea del suo gruppo di ricerca in
un articolo pubblicato in aprile su “Optics Express”. "Basta fare po 'di vuoto", aggiunge. Il problema è che nelle delicate applicazioni mediche, come la chirurgia polmonare, è importante non modificare la pressione o introdurre nuovi gas. "Se il dispositivo di aspirazione fosse la luce – argomenta Segev – la pressione non cambierebbe affatto. E’ solo luce."

In passato, le idee per un "raggio traente" si sono spesso concentrate sulla creazione di nuovi campi gravitazionali per attrarre gli oggetti, sul riscaldamento dell'aria per produrre differenze di pressione o sull’induzione di cariche elettriche e magnetiche negli oggetti in modo che si muovano nella direzione opposta di un fascio laser in arrivo.

L'ultima proposta si basa su un fenomeno chiamato pressione di radiazione negativa. Il fisico russo Victor Veselago ne teorizzò per primo l'esistenza in un articolo del 1967 dedicato a materiali con una proprietà insolita, chiamata indice di rifrazione negativo. L'indice di rifrazione è un numero che descrive il modo in cui viene piegata la luce quando entra in una lente di vetro o in un altro mezzo, e al momento della pubblicazione di Vaselago nessuno sapeva se questo numero poteva essere negativo in un qualche materiale. Ma negli ultimi vent'anni, diversi gruppi di ricerca hanno dimostrato che la rifrazione negativa può verificarsi in materiali particolari appositamente realizzati, chiamati metamateriali, grazie a cui sono stati messi a punto mantelli dell'invisibilità parziale e "super" lenti prive di distorsioni.

Il meccanismo della pressione di radiazione negativa dipende da due aspetti di un'onda luminosa: la sua velocità di gruppo e la sua velocità di fase. Un’onda luminosa è costituita da gruppi di piccole onde, la velocità di gruppo è la velocità e la direzione generale del gruppo di onde; la velocità di fase si riferisce alla velocità e alla direzione di un punto su una delle onde costituenti più piccole. L'energia elettromagnetica dell'onda luminosa va nella direzione della velocità di gruppo, mentre l’effetto dell'onda su una particella va nella direzione della velocità di fase. Se queste due velocità puntano in direzioni diverse, si può generare una pressione negativa.

Una proposta per il raggio traente

(a) sezione trasversale di un blocco di un mezzo birifrangente con il gap destinato ad accogliere piccole particelle. (b) Sezione trasversale di una guida d'onda. (c) Rappresentazione tridimensionale della geometria guida d'onda. 

L'uso di metamateriali per spostare particelle tramite pressione di radiazione negativa è stato ostacolato dal fatto che la maggior parte di questi materiali sono solidi, e introducendo un gap per le particelle si eliminerebbe la pressione di radiazione negativa. Inoltre, tutti i metamateriali attuali contengono metalli, che assorbono l'energia elettromagnetica, rendendo trascurabile l'effetto traente sulle particelle.

Invece di usare metamateriali, il gruppo del Technion propone una guida d'onda composta da materiali con una proprietà chiamata birifrangenza, utile a creare gli effetti ottici necessari. La birifrangenza, che si osserva in cristalli come il quarzo e la calcite, descrive materiali che hanno indici di rifrazione diversi a seconda della direzione di entrata della luce nel materiale. Mettete un cristallo di calcite su un giornale, e improvvisamente l'immagine si raddoppierà.

Il progetto di Segev e del suo gruppo utilizza strati di materiali con diversi tipi di birifrangenza, insieme a specchi appositamente progettati, per un produrre modello pratico da cui si potrebbe ottenere pressione di radiazione negativa. In questa guida d'onda, la velocità di gruppo si muoverebbe in una direzione e la velocità di fase nella direzione opposta. Cosa più importante, c’è un ampio gap (intervallo) tra gli strati. Questo intervallo, che non interferisce con le proprietà ottiche del materiale, permette l'introduzione delle particelle che devono essere trainate nella guida d'onda. "E’ come un sandwich", spiega Segev.

Il progetto proposto può sfruttare una varietà di materiali birifrangenti, che sono ampiamente disponibili e non contengono metalli, in modo da non sottrarre molta energia alla luce. Inoltre, se anche i materiali birifrangenti usati avessero uno spessore di alcuni micrometri, l'intervallo potrebbe essere di millimetri, consentendo la manipolazione luminosa di grandi particelle.

Viktor Podolskiy, fisico dell'Università del Massachusetts a Lowell, che non ha partecipato alla ricerca, afferma che l'approccio con i metamateriali e quello che punta sulla birifrangenza riguardano questioni differenti e hanno vantaggi e svantaggi diversi nell'ambito della pressione di radiazione negativa. "I metamateriali stanno affrontando problemi che riguardano il confinamento della luce in piccoli spazi speciali", spiega Podolskiy. L'approccio della birifrangenza, invece, "fa l’opposto. Porta la rifrazione negativa a livello degli oggetti di maggiori dimensioni." Un giorno entrambi gli approcci potrebbero trovare delle applicazioni.

In ogni caso, l'idea di generare una pressione di radiazione negativa, quale che sia il mezzo, esiste in gran parte solo sulla carta. Il laboratorio di Segev non ha nemmeno le risorse necessarie per creare la guida d'onda proposta. Tuttavia Segev afferma che diverse aziende sono in grado di produrre i materiali necessari, e i ricercatori sperano di trovare presto una ditta disponibile, in modo da poter testare sperimentalmente il loro progetto. Fino ad allora, le particelle dovranno aspettare per poter provare la sensazione di essere trainate verso la luce.


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