Dai microscopi al trasferimento di dati tramite fibre ottiche fino alle moderne tecnologie quantistiche, la luce svolge un ruolo importante nella scienza e nell'industria. In particolare, i metodi per cambiare il colore, e quindi la frequenza e la lunghezza d'onda, della luce sono di grande importanza nelle applicazioni moderne. Questi metodi richiedono l'uso di cristalli non lineari. In tali cristalli, due fotoni di una particolare frequenza possono, ad esempio, essere trasformato in un fotone avente il doppio di quella frequenza, diciamo, due rossi in uno blu.

Perché funzioni, però, la luce deve tipicamente colpire il cristallo in una direzione specifica e con una polarizzazione specifica. Questa cosiddetta corrispondenza di fase spesso limita fortemente le applicazioni pratiche. Un team di ricercatori guidato dalla professoressa dell'ETH Rachel Grange presso l'Institute for Quantum Electronics, insieme al gruppo di Lucio Isa al Dipartimento dei Materiali, hanno ora sviluppato un metodo mediante il quale è possibile ottenere un raddoppio di frequenza efficiente senza tale sintonizzazione fine, e che presenta anche altri vantaggi rispetto ai metodi convenzionali.

Approcci apparentemente inconciliabili

La ricetta dei ricercatori può essere riassunta grossolanamente così:piuttosto piccola che grande, e un disordine è meglio dell'ordine. Sembra misterioso, ma il compito che il team di Grange si era prefissato era un altrettanto grande indovinello:"Per un raddoppio di frequenza migliore e più ampiamente applicabile, volevamo unire due approcci che non vanno molto d'accordo, "dice Romolo Savo, che ha guidato il progetto come postdoc nell'ambito di una borsa di studio Marie-Skłodowska-Curie.

Nel primo approccio, invece di un singolo grande cristallo si usa un insieme di tanti mini-cristalli i cui assi di cristallo individuali puntano in direzioni casuali. In quel modo, non è più necessario controllare rigorosamente le direzioni dei fasci luminosi in arrivo. Tra i tanti mini-cristalli ce ne saranno alcuni orientati favorevolmente e altri orientati sfavorevolmente, ma nel complesso produrranno sempre una quantità significativa di luce raddoppiata in frequenza. "Sembra controintuitivo, "Savo ammette, "e alcuni dei nostri colleghi erano davvero perplessi all'idea di usare il disordine in quel modo, ma funziona!"

Il secondo approccio si basa sull'azione potenziante delle risonanze. Se l'insieme dei mini-cristalli è sferico, ad esempio, con un diametro approssimativamente uguale alla lunghezza d'onda della luce, l'intensità all'interno della sfera è aumentata molte volte dalla riflessione ripetuta delle onde luminose dalle pareti della sfera, e quindi anche la resa della luce in frequenza raddoppiata. Perciò, per sfruttare in modo ottimale entrambi gli effetti allo stesso tempo, i ricercatori hanno voluto modellare una polvere cristallina disordinata in sfere di dimensioni micrometriche in modo da sfruttare il potenziamento risonante della luce. I singoli cristalli di titanato di bario che intendevano utilizzare a tale scopo dovevano essere molto piccoli, solo circa 50 nanometri di dimensione, in modo che fossero abbastanza trasparenti da permettere alla luce di attraversarli molte volte e creare così risonanze nelle microsfere.

Un consiglio durante la pausa caffè

"Così, abbiamo avuto questa grande idea, ma nessun indizio su come trasformare i tanti minuscoli nanocristalli in microsfere perfette, " dice Savo. "Allora, un giorno, abbiamo incontrato Lucio Isa durante la pausa caffè e gli abbiamo parlato del nostro problema, e lui ha avuto un'idea per noi proprio lì." Il suggerimento di Isa è stato quello di sciogliere la polvere di nanocristalli in acqua, mescolare la soluzione con olio, e infine agitare energicamente il tutto, come si farebbe con una vinaigrette a base di aceto e olio. All'interno dell'emulsione creata da quel processo, si formeranno quindi minuscole bollicine della soluzione di cristalli d'acqua, da cui l'acqua evapora gradualmente attraverso l'olio. Alla fine, minuscolo, rimangono sfere perfettamente sagomate di nanocristalli disordinati, che è esattamente quello che cercavano Grange e i suoi collaboratori. "Da quella punta, iniziata la collaborazione con il gruppo Isa, " dice Grange:"A proposito, tali collaborazioni spontanee, che non sono stati pianificati in anticipo, sono spesso le più fruttuose. Certo, abbiamo subito provato la ricetta di Isa."

Versatilità più risparmio di materiale

E la ricetta ha funzionato, anche meglio di quanto ci si potrebbe aspettare. "Il raddoppio di frequenza con le minuscole sfere fatte di nanocristalli disordinati funziona indipendentemente dalla direzione della luce in ingresso e su un'ampia gamma di frequenze. Questo lo rende molto più versatile del raddoppio di frequenza con i cristalli convenzionali, " spiega Savo. Inoltre, i ricercatori hanno ottenuto la stessa resa di luce a frequenza raddoppiata utilizzando il 70% in meno di materiale. Contrariamente ai normali cristalli, per cui la resa leggera smette di crescere oltre una certa dimensione, ha continuato ad aumentare con il volume delle microsfere.

Cristalli laser di alta qualità da polvere

Grange e i suoi colleghi ora vogliono migliorare ulteriormente il loro metodo, ad esempio aggiungendo un distanziatore tra le microsfere e il vetrino su cui poggiano. Questo dovrebbe ridurre al minimo le perdite di luce. I ricercatori hanno anche iniziato a pensare a possibili applicazioni. La prospettiva di produrre cristalli non lineari ad alte prestazioni da una polvere di nanocristalli semplice ed economica è interessante per le tecnologie laser in generale. Anche, è possibile spargere le microsfere su vaste aree. Ciò potrebbe portare alla produzione di un nuovo tipo di display che converte direttamente le immagini nella gamma dell'infrarosso in immagini visibili raddoppiando la frequenza. Tali display potrebbero quindi essere utilizzati nelle telecamere per applicazioni di sicurezza e scienze della vita.