Il volo dei fotoni

Un’équipe di ricerca dell’INFM-CNR e del LENS dell’Università di Firenze ha realizzato materiali ottici innovativi nei quali la luce si comporta in modo non convenzionale. I vetri di Lévy – così i ricercatori hanno ribattezzato i materiali – consentiranno una migliore comprensione dei processi fisici di trasporto e potranno essere utili in futuro per sviluppare rivestimenti ottici d’avanguardia e dispositivi hi-tech. A questa ricerca sarà dedicata la copertina del prossimo numero di Nature.

Hanno tratto ispirazione dal volo degli uccelli in cerca di cibo i ricercatori dell’INFM-CNR e del LENS (Laboratorio europeo per le spettroscopie non lineari) dell’Università di Firenze per mettere a punto nuovi materiali ottici con proprietà davvero inconsuete. All’interno di questi materiali la luce si muove in modo non convenzionale e riesce così a diffondersi con grandissima efficienza. La ricerca, storia di copertina del prossimo numero di Nature, potrà avere applicazioni nello studio dei fenomeni di trasporto e nello sviluppo di nuovi dispositivi in micro e nano-fotonica e di rivestimenti con proprietà ottiche avanzate.

I ricercatori hanno denominato i nuovi materiali vetri di Lévy perché al loro interno la luce si propaga secondo i cosiddetti voli di Lévy, processi di trasporto da tempo noti in fisica – perché consentono di descrivere fenomeni complessi in ambito biologico ed economico, come la distribuzione degli spostamenti umani, le strategie di ricerca del cibo adottate dagli animali o le fluttuazioni dei mercati azionari -, ma sino ad ora mai osservati in un materiale.

Nei vetri di Lévy le particelle di luce, i fotoni, seguono cammini ad hoc (i voli di Lévy) e si propagano con una velocità molto maggiore rispetto a quanto accade nei mezzi ottici tradizionali. Ciò è possibile perché i centri che diffondono la luce nei nuovi materiali sono distribuiti in maniera quasi frattale.

Il risultato è stato ottenuto miscelando tre ‘ingredienti’: vetro liquido (silicato di sodio), particelle di biossido di titanio in grado di diffondere i fotoni e sfere di vetro con diversi diametri. Queste ultime creano all’interno del vetro liquido una matrice in grado di determinare la distribuzione delle sfere di biossido di titanio: quando il materiale solidifica, ha dimostrato lo studio, la distribuzione delle sfere fa sì che i fotoni diffondano nel vetro seguendo i voli di Lévy.

Jacopo Bertolotti, ricercatore dell’INFM-CNR e del LENS, precisa che “l’obiettivo attuale è raffinare la ricetta secondo cui sono realizzati questi materiali e sostituire al vetro liquido un polimero. In questo modo si creeranno materiali flessibili con potenziali applicazioni in diversi settori hi-tech, dall’elettronica avanzata alla fotonica”.

Diederik Wiersma, coordinatore dell’équipe di ricerca, sottolinea inoltre che “le proprietà insolite manifestate da questi materiali potranno essere utili per lo sviluppo di rivestimenti ottici innovativi e nuovi dispositivi laser. Ma potranno anche aiutarci a comprendere meglio i processi di trasporto di luce e suono, il comportamento di particelle come gli elettroni e faciliteranno lo studio dei fenomeni complessi che si propagano seguendo voli di Lévy”.