Cinquantamila.it La storia raccontata da Giorgio Dell'Arti

Il Laser è una di quelle invenzioni che, come il transistor o il calcolatore elettronico, uscite da un laboratorio di fisica fondamentale, hanno completamente cambiato il nostro modo di produrre e comunicare informazione, hanno rivoluzionato i nostri strumenti domestici, i nostri mezzi di produzione ed, infine, hanno fornito la base tecnologica per quasi tutti gli sviluppi sperimentali e applicativi ad esempio della biologia o della medicina; in pratica hanno totalmente cambiato il nostro stile di vita.
Come tutte le grandi invenzioni nacque come frutto della curiosità di alcuni ricercatori che, come Charles H. Townes e Arthur L. Schawlow premi Nobel nel 1964 e nel 1981 rispettivamente, stavano cercando di produrre nuove sorgenti per estendere le sorgenti spettroscopiche e non avevano la minima idea di quelle che potevano essere le applicazioni del laser come accadde nella medicina.
A cinquant’anni dalla loro invenzione i laser sono ormai dovunque nel nostro mondo: dai piccoli diodi laser nei lettori compact disk, alle grandi macchine per taglio e saldatura laser nell’industria, ai sistemi di alta precisione utilizzati in microchirurgia.
La ricerca sulle sorgenti laser si è distinta in tre diversi ambiti: i laser di altissima potenza utilizzati, ad esempio, per la fusione nucleare, i laser ad impulsi ultra corti utilizzati per osservare la dinamica molecolare ed i laser ultra stabili utilizzati nella spettroscopia di altissima precisione. Questi ultimi due mondi, che sembravano in origine separati, si riuniscono con la scoperta del «pettine di frequenze» che, nel 2005, è stato oggetto dell’ultimo di una lunga serie di Nobel legati al laser.
Un pettine di frequenza non è altro che l’ampio spettro prodotto da un laser a femtosecondi (milionesimo di miliardesimo ndr) e si compone di diversi milioni di linee spettrali perfettamente equidistanti. I pettini di frequenza sono stati concepiti un decennio fa come strumenti per la spettroscopia di precisione dell’idrogeno atomico. Da allora hanno rivoluzionato il modo in cui misuriamo la frequenza della luce e sono diventati indispensabili per nuove applicazioni che si basano sul controllo preciso della radiazione luminosa.
L’idea di un pettine di frequenza auto-stabilizzato, largo più di un’ ottava, in grado di misurare la frequenza assoluta della luce mi venne nel 1997 ad Arcetri dopo che con Marco Bellini al LENS avevo osservato frange di interferenza tra due sorgenti laser a impulsi ultracorti.
I pettini di frequenza rappresentano lo strumento a lungo cercato per l’estensione anche nell’ottica della precisione degli orologi atomici. I pettini di frequenza stanno rivoluzionando la spettroscopia molecolare ampliando drammaticamente la risoluzione e la velocità di registrazione di spettrometri di Fourier. La calibrazione degli spettrografi astronomici con i pettini di frequenza permetterà, inoltre, di effettuare ricerche riguardanti i nuovi pianeti simili alla Terra scoperti in lontani sistemi solari e potrà rivelare la continua espansione dello spazio nell’universo. Le tecniche basate sui pettini di frequenza sono divenute anche essenziali per la generazione di impulsi agli atto secondi (miliardesimi di miliardesimi ndr) in grado di rivelare il moto degli elettroni negli atomi.
La prima applicazione dei pettini di frequenza è ovviamente nella spettroscopia di altissima precisione che permette, attraverso il test della teoria fondamentale dell’elettrodinamica quantistica di misurare proprietà subnucleari come il raggio del protone. Gli orologi atomici sono stati rivoluzionati dai pettini di frequenza e si stanno realizzando nuovi sistemi basati su atomi ultrafreddi in reticoli ottici che potrebbero portare ad un nuovo cambiamento della nostra definizione di tempo attraverso l’identificazione di nuovi oscillatori ultrastabili. La superiore stabilità di questi oscillatori ci permetterà, fra le altre cose, anche la realizzazione di nuovi strumenti di telecomunicazione ad altissima velocità, la realizzazione di strumenti di navigazione satellitare ancora più precisi, nonché la misurazione del campo gravitazionale terrestre ad un livello tale da poter verificare movimenti nel nocciolo liquido del nostro pianeta.
Attraverso ulteriori sviluppi sarà possibile estendere i pettini di frequenza nelle regioni dell’ultravioletto o del teraherz. In questa ultima parte dello spettro si trovano le righe di assorbimento di tutte le molecole di interesse biologico. Le applicazioni vanno dalla possibilità di semplificare e comprendere spettri complessi e di conseguenza di identificare otticamente biomolecole complesse, alla possibilità di ottenere immagini microscopiche selettive di biomolecole con velocità senza precedenti permettendo, ad esempio, lo studio della dinamica dell’assorbimento dei farmaci da parte delle cellule e dei tessuti. La disponibilità di strumenti commerciali sta facilitando lo sviluppo di nuove applicazioni che vanno dalla ricerca fondamentale alle telecomunicazioni alla navigazione satellitare alla biologia alla geologia. La più recente frontiera per i pettini di frequenza è rappresentata dalla loro miniaturizzazione utilizzando micro risuonatori ottici integrati che potrebbero essere inseriti in strumenti elettronici di largo consumo.
Theodor W. Hansch
*Premio Nobel per la Fisica

THEODOR W. HANSCH