Un'innovazione rivoluzionaria nella misurazione dei laser può misurare i cambiamenti di un milionesimo della dimensione di un atomo e potrebbe rivoluzionare il loro uso nelle tecnologie quantistiche e nell'assistenza sanitaria grazie a nuovi, tecnologia a basso costo.

Un team dell'Università di St Andrews e della società britannica M Squared Lasers ha utilizzato il principio della diffusione casuale della luce per creare una nuova classe di misuratori d'onda laser che sfondano un soffitto di vetro nel modo in cui viene misurata la lunghezza d'onda.

I misuratori d'onda sono utilizzati in molte aree della scienza per identificare la lunghezza d'onda (cioè il colore) della luce. Tutti gli atomi e le molecole assorbono la luce a lunghezze d'onda molto precise, quindi la capacità di identificarli e manipolarli ad alta risoluzione è importante in diversi campi che vanno dall'identificazione di campioni biologici e chimici al raffreddamento di singoli atomi a temperature più fredde delle profondità dello spazio esterno

Onde, siano onde d'acqua o onde luminose, interagiscono per interferenza:a volte due onde raggiungono un picco nello stesso momento e luogo e il risultato è un'onda più alta, ma è anche possibile che un picco di un'onda incontri il trogolo di un'altra, con conseguente onda più piccola. La combinazione di questi effetti produce uno schema di interferenza.

I misuratori d'onda convenzionali analizzano i cambiamenti nel modello di interferenza prodotto da delicati assemblaggi di componenti ottici ad alta precisione. Gli strumenti più economici costano centinaia o migliaia di sterline, e la maggior parte nell'uso quotidiano della ricerca costa decine di migliaia.

In contrasto, il team ha realizzato un dispositivo robusto ea basso costo che supera la risoluzione di tutti i misuratori d'onda disponibili in commercio. Lo hanno fatto illuminando la luce laser all'interno di una sfera di 5 cm di diametro che era stata dipinta di bianco, e registrare immagini della luce che fuoriesce attraverso un piccolo foro. Il modello formato dalla luce è incredibilmente sensibile alla lunghezza d'onda del laser.

Il dottor Graham Bruce della School of Physical and Astronomy spiega:

"Se prendi un puntatore laser, e lucidalo attraverso il nastro adesivo o su una superficie ruvida come un muro dipinto, a un esame più attento della superficie illuminata vedrai che il punto stesso appare granuloso o maculato, con macchie chiare e scure. Questo cosiddetto 'speckle pattern' è il risultato dell'interferenza tra le varie parti del raggio che vengono riflesse in modo diverso dalla superficie ruvida.

"Questo motivo a puntini potrebbe sembrare di scarsa utilità, ma in realtà il motivo è ricco di informazioni sul laser illuminante.

"Il modello prodotto dal laser attraverso qualsiasi mezzo di diffusione di questo tipo è in effetti molto sensibile a un cambiamento nei parametri del laser e questo è ciò di cui abbiamo fatto uso".

La svolta, che è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Comunicazioni sulla natura , apre una nuova strada per la misurazione ad altissima precisione della lunghezza d'onda del laser, realizzando una precisione di quasi una parte su tre miliardi, che è da 10 a 100 volte migliore degli attuali dispositivi commerciali.

Questa precisione ha permesso al team di misurare piccoli cambiamenti nella lunghezza d'onda al di sotto di 1 femtometro:equivalente a solo un milionesimo del diametro di un singolo atomo.

Hanno anche dimostrato che questa misurazione sensibile potrebbe essere utilizzata per stabilizzare attivamente la lunghezza d'onda del laser.

In futuro, il team spera di dimostrare l'uso di tali approcci per le applicazioni della tecnologia quantistica nello spazio e sulla Terra, nonché per misurare la diffusione della luce per studi biomedici in un nuovo, modo economico.

Il professor Kishan Dholakia della School of Physical and Astronomy ha dichiarato:

"Si tratta di un entusiasmante sforzo di squadra per quello che riteniamo sia un importante passo avanti nel settore. È una testimonianza della forte cooperazione tra industria e università del Regno Unito e collegamenti a future opportunità commerciali con le tecnologie quantistiche e quelle nel settore sanitario".