RICERCA ITALIANA     

Il volo dei fotoni

Un gruppo di ricercatori del Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non lineari (LENS) dell’Università di Firenze e dell'INFM-BEC ha creato un nuovo materiale ottico nel quale la luce si muove nello stesso modo di un uccello in ricerca di cibo (copertina di Nature, 22 Maggio 2008).

I ricercatori Pierre Barthelemy, Jacopo Bertolotti e Diederik S. Wiersma hanno denominato questa nuova classe di materiali “vetri di Lévy”, in analogia con i cosiddetti “voli di Lévy”, un processo di trasporto che si ritiene essere di fondamentale importanza in natura perché riesce a descrivere dei fenomeni apparentemente scollegati come l’andamento della borsa, la distribuzione degli spostamenti umani, il comportamento di terremoti, e, ad esempio, il percorso che animali seguono per cercare cibo.

Questi ricercatori hanno ora creato un materiale nel quale la luce, o fotoni, si comportano esattamente nella stessa maniera.
Questo materiale si comporta come un super-diffusore, nel senso che diffonde i fotoni con una velocità ed efficienza che non è possibile raggiungere con materiali opachi comuni.
Questi nuovi materiali ottici possono condurre ad una maggiore comprensione dei processi di trasporto in fisica e delle loro connessioni con fenomeni complessi in biologia e sociologia. Per la prima volta è ora possibile studiare la fisica dei voli di Lévy in una maniera facile e controllata.

Il gruppo di ricerca ha un carattere molto internazionale.
Diederik Wiersma è un fisico olandese che si è trasferito in Italia per fondare un nuovo gruppo di ricerca sulla micro e la nano fotonica al centro laser europeo LENS di Firenze.
Pierre Barthelemy e Jacopo Bertolotti sono, rispettivamente, un dottorando belga ed un post-doc italiano che lavorano in questo nuovo gruppo di ricerca. Questo lavoro è stato finanziato dalla rete di eccellenza sulla nanofotonica “Phoremost” e dal Ministero della pubblica istruzione.

Si veda sotto per una spiegazione più dettagliata della fisica coinvolta.

Riferimenti

“A Lévy flight for light”, di Pierre Barthelemy, Jacopo Bertolotti e Diederik S. Wiersma, Nature (Londra), Vol. 453, pag. 495-498, 22 maggio 2008 (e copertina).

Spiegazione dettagliata

I materiali che diffondono la luce, come per esempio il marmo, il vetro opacizzato o la plastica, devono il loro aspetto al modo con cui interagiscono con la luce. Un raggio di luce che incide su questi materiali viene disperso in maniera casuale e diffuso migliaia di volte prima di poter uscire. Questo processo è chiamato “cammino casuale” ed è analogo al moto Browniano compiuto da piccoli corpuscoli in un fluido. La comprensione di questo tipo di processi per la luce ha portato a numerosi risultati, per esempio alla possibilità di ricostruire le immagini attraverso un mezzo torbido (come la pelle umana) o la realizzazione di nuove sorgenti di luce che utilizzano i processi diffusivi per ottenere luce di tipo laser.

I vetri di Lévy sono anch'essi materiali opachi, tuttavia si comportano in maniera totalmente differente. Infatti in questi materiali la luce compie dei “voli di Lévy”. I voli di Lévy, una generalizzazione del comune cammino casuale, appaiono in un gran numero di situazioni diverse. Infatti possono descrivere, per esempio, come gli animali cercano il cibo, come si comportano i terremoti o persino come si evolvono nel tempo i mercati azionari. La realizzazione dei vetri di Lévy dimostra questo tipo di comportamenti anche per la luce.

Il fatto che questa nuova classe di materiali si comporta come un super-diffusore può essere utile per lo sviluppo di rivestimenti ottici innovativi o nuovi dispositivi. In più questi materiali possono essere usati per migliorare la nostra comprensione dei processi di trasporto fisici della luce, del suono o degli elettroni e delle loro relazioni coi processi di trasporto in altri ambiti di ricerca e nella nostra società.

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