La fisica dei laser: premi Nobel per la fisica 2018.

Il premio Nobel è probabilmente uno dei riconoscimenti più popolari per un fisico. Il primo è stato insignito a Röntgen nel 1901, per la scoperta dei raggi X, che si dovrebbero chiamare infatti raggi R!

Centodiciassette anni dopo, dalla rassegna stampa dell’Accademia Reale Svedese della Scienza si legge:

‘’L’Accademia Reale Svedese della Scienza ha deciso di assegnare il Premio Nobel per la Fisica 2018 per le pionieristiche invenzioni nel campo della fisica dei laser, una metà a Arthur Askin e l’altra metà congiuntamente a Gerard Mourou e Donna Strickland’’.

Penso che ormai tutti abbiano visto un laser, almeno quelli tascabili che negli anni ’90 proiettavano sul muro luci verdi di ogni forma! Ma cosa è un LASER? L’ho scritto maiuscolo perché in realtà è un acronimo, che sta per Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, tradotto in italiano amplificatore di luce per mezzo di emissione stimolata di radiazione.

I laser sono costituti principalmente di tre parti: una fonte di energia elettrica ad alto voltaggio, un materiale che emette luce e una serie di specchi.

Il funzionamento del laser, nonostante sia puramente quantistico, è molto semplice da illustrare. L’energia elettrica fornita al materiale viene assorbita dagli atomi che lo costituiscono. Questo processo fa sì che gli elettroni, che si trovano in determinate bande energetiche, saltino in bande ad energia più elevata. Dopo un tempo brevissimo, dell’ordine dei millisecondi, l’elettrone torna nella sua banda energetica iniziale rilasciando un pacchetto di energia, detto fotone. Questo processo si chiama emissione spontanea. I fotoni così rilasciati viaggiano alla velocità della luce, perché hanno massa nulla, all’interno del materiale finché non collidono con altri atomi, già eccitati dall’energia elettrica. Questi atomi allora assorbono il fotone, che serve loro per passare ad un livello energetico ancora superiore ed emettono due fotoni, che approssimativamente corrispondono a quello che hanno assorbito dall’energia elettrica (quello che ha eccitato l’atomo) e quello che è stato assorbito.

Questo processo per cui da un fotone, se ne ottengono due si chiama emissione stimolata. Questa locuzione non vi sarà ormai nuova, infatti è la ‘’SE’’ di laser! Questi fotoni viaggiano nel materiale, che viene equipaggiato di due specchi. Uno, posto ad un’estremità del materiale, che serve a far rimbalzare i fotoni che così possono eccitare altri atomi, e un altro specchio, questa volta semitrasparente e posto nell’altra estremità, che permette la fuoriuscita di una porzione dei fotoni che vanno poi a formare un fascio molto energetico e molto collimato, cioè con un diametro molto piccolo.

I fasci laser sono molto diversi dalla luce ordinaria per molti motivi. Uno di essi è il fatto che la lunghezza d’onda, che è in un certo senso il ‘’colore’’, dei laser è fissa ed è determinata dal materiale che viene utilizzato, diversamente dalla luce ordinaria che contiene tutte le lunghezze d’onda. Un’altra caratteristica è la collimazione, che fa sì che i fasci siano molto energetici e possano essere focalizzati in distanze molto piccole. Proprio per questi motivi i laser sono usati per scopi medici, per cui serve una precisione molto elevata. Una piccola anticipazione…questo è il motivo di metà del premio Nobel 2018!

La fisica dei laser è incredibilmente affascinante, e in particolare i laser hanno un impiego rivoluzionario in molti campi, dalla trasmissione di segnali (ad esempio la fibra ottica) a scopi medici, militari etc. Non a caso sono stati già assegnati diversi premi Nobel, nel 1964, 1981, 1997 e 2005 proprio in questo campo.

Il motivo per cui anche questo anno è stato deciso di assegnare il premio Nobel per la fisica dei laser è duplice.

Il primo è legato all’incredibile applicazione che Arthur Askin ha scoperto e iniziato nel 1969 nei Bell Laboratories. In gergo si dice che Askin abbia inventato delle pinzette ottiche. Queste pinzette ottiche (optical tweezers) sono costituite di fasci laser che intrappolano particelle, atomi, e addirittura cellule viventi come i virus. In particolare i laser con specifiche configurazioni riescono a intrappolare queste particelle all’interno del fascio stesso e a guidarle. Infatti per questa applicazione la caratteristica più importante dei laser non è tanto la alta energia quanto la precisione. Questo meccanismo ha permesso nel 1987 allo stesso Askin di intrappolare dei batteri vivi senza modificarne la struttura. Questo rende possible tuttora di isolare e studiare materiale biologico.

L’altra metà del premio Nobel è andata a Gerard Mourou e Donna Strickland che nel 1985 sono riusciti a rendere i laser se possibile ancora più versatili. Infatti hanno scoperto il modo di creare fasci laser ad impulso ultracorto, attraverso quella che viene chiamata CPA, o chirped pulse amplification. In questo modo si generano dei fasci laser molto energetici per un tempo molto corto, dei femtosecondi, che permette di non influenzare in modo definitivo il materiale su cui il raggio viene fatto incidere. Questa tecnologia è ora usata quotidianamente per la chirurgia correttiva dell’occhio.

Ultima nota: Donna Strickland è la terza donna dal 1901 ad essere stata insignita del premio Nobel. Prima di lei, nel 1903 Marie Skłodowska Curie, che è stata l’unica donna e la prima in assoluto ad aver vinto due premi Nobel in discipline diverse (fisica e chimica), e nel 1963 Maria Goeppert-Mayer. Per me, che sono una fisica donna, l’assegnazione di questo prestigioso riconoscimento ad una scienziata rende molto orgogliosa. Sia perché ritengo che ci siano tante donne meritevoli nella scienza che spesso non vengono riconosciute a pieno e sia perché penso sia un modello di riferimento per chiunque si approcci alle materie scientifiche.

Vi lascio con questa frase di Donna Strickland, sperando che possa essere di motivazione per tutti i giovani che stanno leggendo…

Alla domanda:

‘’What was it that got you interested in pursuing a career in the field of physics?’’

‘’Cosa è che ti ha fatto interessare a perseguire una carriera nel campo della fisica?’’

Donna risponde:

‘’I was very good at math and physics. And that’s all. I can’t do music, art, so there was not a lot of choice for me. I think people should go with their strength and that was my strength.’’

‘’Ero molto brava in matematica e fisica. E questo è quanto. Non sono brava in musica, arte, quindi queste materie non erano una scelta per me. Credo che tutti dovrebbero seguire i propri punti di forza, e questo era il mio punto di forza.’’

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.