Intrappolare la luce con oro e sale? Ora si può!

Immaginate di aver bisogno di uno spazio assolutamente vuoto: magari quello a due passi da voi potrebbe sembrarvi tale, ma per sicurezza immaginate ancora di essere in grado di rimuovere ogni singolo atomo da quello spazio. Obbiettivo raggiunto, giusto?

Sbagliato. La meccanica quantistica, la teoria di maggiore successo di cui disponiamo sul mondo microscopico, ripetutamente confermata da esperimenti, ci dice che anche in uno spazio apparentemente vuoto si verificano una serie di impercettibili fluttuazioni, che appaiono e scompaiono in continuazione.

A questo punto ci si potrebbe chiedere: è possibile in qualche modo sfruttare tali fluttuazioni quantistiche per, beh, farci qualcosa di utile? La risposta è assolutamente positiva e infatti già da tempo c’è chi ha fatto uso di questa proprietà dello spazio “vuoto”, come il fisico Hendrik Casimir con l’effetto che porta il suo nome.

Ora, sedute sulle spalle di tale gigante, un gruppo di ricercatrici svedesi ha impiegato l’effetto Casimir e le forze elettrostatiche per far sì che minuscoli fiocchi d’oro si auto-organizzino al fine di creare una trappola per la luce.

L’effetto Casimir per intrappolare la luce

Ma andiamo con ordine, partendo dall’anno 1948, quando fu teorizzato l’effetto Casimir: in base ad esso, alcuni oggetti vicini l’uno all’altro si attraggono a vicenda in maniera molto debole, proprio a causa delle fluttuazioni nei campi quantistici che si trovano nello spazio tra di loro.

L’effetto è stato confermato più volte in laboratorio, con l’allestimento più semplice che consiste in due piastre metalliche riflettenti poste molto vicine l’una all’altra: le impercettibili fluttuazioni quantistiche tra di esse ne provocano l’avvicinamento.

La fisica Betül Küçüköz della Chalmers University of Technology in Göteborg e il suo gruppo hanno pensato di utilizzare tale effetto per intrappolare e controllare la luce, creando quella che tecnicamente viene chiamata microcavità di Fabry-Pérot.

L’idea è di usare due fiocchi d’oro posizionati parallelamente l’uno all’altro, di modo che la luce “rimbalzi” tra i due senza riuscire a scappare. Ma Küçüköz e colleghe non hanno voluto fare tutto il lavoro da sole: dopo aver costruito la parte inferiore della trappola, hanno lasciato che la meccanica quantistica e un po’ di sale facessero il resto.

Lo spettacolo dei fiocchi d’oro e del sale

Per cominciare, il gruppo ha incastonato un fiocco d’oro triangolare minuscolo (tra i 4 e i 10 micron, dove 1 micron equivale a un millesimo di un millimetro) in un piccolo pezzo di vetro, creando la base della cavità.

Per la parte superiore, invece di usare un costrutto simile sorretto da un qualche strumento, le ricercatrici hanno immerso il vetro con il fiocco in una soluzione d’acqua salata contenente altri fiocchi d’oro triangolari.

“E quindi?”, mi sembra di sentire domandare. La risposta è che a questo punto la fisica entra in scena in maniera spettacolare: l’effetto Casimir fa sì che uno dei fiocchi triangolari contenuti nell’acqua salata si muova verso quello incastonato nel vetro, per poi iniziare a ruotare fino ad allinearsi con esso.

Nel frattempo la forza elettrostatica, causata dalle cariche elettriche associate al sale sciolto nell’acqua, bilancia perfettamente l’effetto Casimir e provoca l’arresto dei fiocchi nel momento in cui le due parti della trappola diventano allineate.

Microcavità flessibili e il futuro della ricerca

Come se non bastasse, il processo di auto-assemblaggio della microcavità è largamente controllabile: ad esempio, cambiando la concentrazione salina, il gruppo è in grado di regolare la forza elettrostatica in gioco, in modo da creare trappole di dimensioni diverse.

Negli esperimenti, infatti, le ricercatrici sono riuscite a ottenere una distanza tra i fiocchi compresa tra i 100 e i 200 nanometri, dove 1 nanometro è uguale a un milionesimo di millimetro. E non si tratta di un semplice esercizio di stile: cavità di dimensioni diverse, infatti, sono in grado di intrappolare luce di frequenza e quindi colore diverso.

Ora, bisogna dire che l’idea di usare l’effetto Casimir per l’auto-assemblaggio non è nuova, ma esperti ammettono che l’esperimento di Küçüköz e colleghe è più dettagliato e consente maggiore controllo di quelli realizzati in precedenza.

Oltre alla possibilità di usare queste trappole d’oro per generare luce del colore desiderato, l’obbiettivo del gruppo ora è impiegarle come parte di esperimenti più complessi con la luce, ad esempio piazzando un oggetto al loro interno per vedere cosa succede quando la radiazione luminosa che rimbalza tra i fiocchi lo colpisce ripetutamente.

(Originariamente pubblicato su Storie Semplici. Il titolo dell’autore potrebbe essere modificato dalla redazione)