Gli scienziati costruiscono il primo anti-laser, utile per computer del futuro e medicina

In un anti-laser, le onde di luce in entrata sono intrappolate in una cavità dove rimbalzano avanti e indietro fino a che non vengono poi assorbite. La loro energia è dissipata come calore. Crediti: Yidong Chong/Yale University

A più di 50 anni dall’invenzione del laser, gli scienziati della Yale University hanno costruito il primo anti-laser al mondo, in cui fasci di luce incidente interferiscono in modo tale da annullarsi perfettamente l’un l’altro. La scoperta potrebbe aprire la strada ad una serie di nuove tecnologie con applicazioni in tutti i campi, dai computer ottici alla radiologia.

I laser convenzionali, che sono stati inventati nel 1960, utilizzano un cosiddetto “mezzo di guadagno”, di solito un semiconduttore come l’arseniuro di gallio, per produrre un fascio concentrato di onde di luce coerente con la stessa frequenza e ampiezza.

La scorsa estate, il fisico di Yale A. Douglas Stone e il suo team hanno pubblicato uno studio che spiega la teoria che c’è dietro un anti-laser, dimostrando che un tale dispositivo potrebbe essere costruito usando silicio, il materiale semiconduttore più comune. Ma nessuno aveva ancora provato a costruirlo fino ad oggi. Stone ha deciso quindi di riunire le forze, coinvolgendo anche il gruppo sperimentale del suo collega Hui Cao, e la squadra ha effettivamente costruito un anti-laser funzionante, che loro chiamano un assorbitore coerente perfetto (CPA).

La squadra, i cui risultati sono stati pubblicati sul numero del 18 febbraio della rivista Science, ha concentrato due raggi laser con una specifica frequenza in una cavità contenente un wafer di silicio, che ha agito come un “mezzo di smorzamento”. Il silicio ha allineato le onde luminose in modo da intrappolarle, rimbalzando avanti e indietro a tempo indeterminato fino a quando non vengono assorbiti e trasformati in calore.

Stone ritiene che il CPA potrebbe un giorno essere usato come commutatore ottico, nei rilevatori e negli altri componenti dei computer  di prossima generazione, chiamati computer ottici, che funzioneranno con la luce invece che con gli elettroni, enormemente più lenti. Un’altra applicazione potrebbe essere in radiologia, dove – ha detto Stone – il principio dell’anti-laser potrebbe essere utilizzato per indirizzare la radiazione elettromagnetica in una piccola regione all’interno del tessuto umano, sia per scopi terapeutici che per creare immagini nitide di parti intrne, normalmente opache alla luce.

Teoricamente, il CPA dovrebbe essere in grado di assorbire il 99,99 per cento della luce in arrivo. A causa dei limiti sperimentali, l’attuale CPA costruito da Stone e colleghi assorbe il 99,4 per cento della luce. “Ma il CPA che abbiamo costruito è solo un modello di concetto”, ha detto Stone. “Sono fiducioso che ci si avvicinerà al limite teorico appena si costruiranno CPA più sofisticati”. Allo stesso modo, il primo CPA è grande circa un centimetro in tutto. A prima vista si potrebbe pensare che in fondo è piccolo, ma nel mondo dell’elettronica, dove si ragiona in nanometri, questo componente è enorme. Tuttavia, Stone ha detto che le simulazioni al computer hanno mostrato come costruire un anti-laser piccolo non più di sei micron (circa un ventesimo dello spessore di un capello umano medio).

Il team che ha costruito il CPA, guidato da Cao e un altro fisico Yale, Wenjie Wan, ha sfruttatu l’effetto della radiazione dell’infrarosso, che è leggermente “più rosso” di quanto l’occhio possa vedere ed è la frequenza della luce che il dispositivo assorbe naturalmente quando viene utilizzato normale silicio. Ma il team si aspetta che, con alcuni ritocchi, nelle versioni future il CPA sarà in grado di assorbire la luce visibile così come le frequenze specifiche degli infrarossi utilizzati nelle comunicazioni in fibra ottica.

“Quando ebbi l’idea dell’anti-laser, ci mettemmo a cercare se qualcuno aveva pensato di realizzare una macchina simile. Dopo alcune ricerche, abbiamo scoperto che diversi fisici avevano accennato  allo stesso concetto in libri e articoli scientifici, ma nessuno aveva mai tentato di sviluppare l’idea.”