Prendi spirali d'oro delle dimensioni di un centesimo... e rimpiccioliscili di circa sei milioni di volte. Il risultato sono le spirali continue più piccole del mondo:"nano-spirali" con proprietà ottiche uniche che sarebbero quasi impossibili da contraffare se fossero aggiunte alle carte d'identità, valuta e altri oggetti importanti.

Studenti e docenti della Vanderbilt University hanno fabbricato queste minuscole spirali di Archimede e poi hanno utilizzato laser ultraveloci alla Vanderbilt e al Pacific Northwest National Laboratory a Richland, Washington, caratterizzare le loro proprietà ottiche. I risultati sono riportati in un paper pubblicato online dal Journal of Nanophotonics il 21 maggio.

"Sono certamente più piccole di tutte le spirali che abbiamo trovato riportate nella letteratura scientifica, " ha detto Roderick Davidson II, lo studente di dottorato Vanderbilt che ha capito come studiare il loro comportamento ottico. Le spirali sono state progettate e realizzate a Vanderbilt da un altro studente di dottorato, Jed Ziegler, ora al Laboratorio di Ricerca Navale.

La maggior parte degli altri ricercatori che hanno studiato le notevoli proprietà delle spirali microscopiche lo hanno fatto disponendo le nanoparticelle discrete in uno schema a spirale:simile a spirali disegnate con una serie di punti di inchiostro su un pezzo di carta. Al contrario, le nuove nano-spirali hanno braccia solide e sono molto più piccole:una matrice quadrata con 100 nano-spirali su un lato è larga meno di un centesimo di millimetro.

Quando queste spirali vengono ridotte a dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda della luce visibile, sviluppano proprietà ottiche insolite. Per esempio, quando sono illuminati con luce laser a infrarossi, emettono luce blu visibile. Un certo numero di cristalli producono questo effetto, chiamato raddoppio di frequenza o generazione di armoniche, a vari gradi. Il più potente duplicatore di frequenza precedentemente noto è il cristallo sintetico beta borato di bario, ma le nano-spirali producono quattro volte più luce blu per unità di volume.

Quando la luce laser infrarossa colpisce le minuscole spirali, è assorbito dagli elettroni nei bracci d'oro. Le braccia sono così sottili che gli elettroni sono costretti a muoversi lungo la spirale. Gli elettroni che vengono spinti verso il centro assorbono abbastanza energia in modo che alcuni di essi emettano luce blu a una frequenza doppia rispetto alla luce infrarossa in arrivo.

"Questo è simile a ciò che accade con una corda di violino quando è piegata vigorosamente, ", ha affermato il professore di fisica di Stevenson Richard Haglund, che ha diretto la ricerca. "Se inchini una corda di violino molto leggermente si produce un singolo tono. Ma, se lo inchini vigorosamente, inizia anche a produrre armoniche più alte, o sfumature. Gli elettroni al centro delle spirali sono spinti abbastanza vigorosamente dal campo elettrico del laser. La luce blu è esattamente un'ottava più alta dell'infrarosso, la seconda armonica".

Le nano-spirali hanno anche una risposta distintiva alla luce laser polarizzata. Luce polarizzata linearmente, come quello prodotto da un filtro Polaroid, vibra su un unico piano. Quando colpito da un tale raggio di luce, la quantità di luce blu emessa dalle nano-spirali varia quando l'angolo del piano di polarizzazione viene ruotato di 360 gradi.

L'effetto è ancora più drammatico quando viene utilizzata la luce laser polarizzata circolarmente. In luce polarizzata circolarmente, il piano di polarizzazione ruota in senso orario o antiorario. Quando le nano-spirali mancine sono illuminate con luce polarizzata in senso orario, la quantità di luce blu prodotta è massimizzata perché la polarizzazione spinge gli elettroni verso il centro della spirale. Luce polarizzata in senso antiorario, d'altra parte, produce una quantità minima di luce blu perché la polarizzazione tende a spingere gli elettroni verso l'esterno in modo che le onde provenienti da tutta la nanospirale interferiscano in modo distruttivo.

La combinazione delle caratteristiche uniche del loro raddoppio della frequenza e della risposta alla luce polarizzata fornisce alle nano-spirali un aspetto unico, firma personalizzabile che sarebbe estremamente difficile da contraffare, hanno detto i ricercatori.

Finora, Davidson ha sperimentato piccole serie di nano-spirali d'oro su un substrato di vetro realizzato utilizzando la litografia a scansione di fasci di elettroni. Allo stesso modo potrebbero essere realizzate nano-spirali in argento e platino. A causa delle piccole quantità di metallo effettivamente utilizzate, possono essere realizzati a buon mercato con metalli preziosi, che resistono alla degradazione chimica. Possono essere realizzati anche su plastica, carta e una serie di altri supporti.

"Se le nano-spirali fossero incorporate in una carta di credito o in una carta d'identità, potrebbero essere rilevati da un dispositivo paragonabile a un lettore di codici a barre, " disse Haglund.

L'effetto di raddoppio della frequenza è abbastanza forte da consentire di rilevare facilmente gli array troppo piccoli per essere visti a occhio nudo. Ciò significa che potrebbero essere posizionati in una posizione segreta su una carta, che costituirebbe un'ulteriore barriera ai contraffattori.

I ricercatori sostengono anche che gli array di nanospirali codificati potrebbero essere incapsulati e collocati in esplosivi, sostanze chimiche e droghe – qualsiasi sostanza che qualcuno vuole monitorare da vicino – e poi rilevata utilizzando un dispositivo di lettura ottica.