I raggi laser possono essere utilizzati per misurare con precisione la posizione o la velocità di un oggetto. Normalmente, però, un chiaro, è richiesta una vista senza ostacoli di questo oggetto e questo prerequisito non è sempre soddisfatto. Nella biomedicina, Per esempio, vengono esaminate le strutture, che sono incorporati in un irregolare, ambiente complicato. Là, il raggio laser viene deviato, disperso e rifratto, spesso rendendo impossibile ricavare dati utili dalla misurazione.

Però, Università di Utrecht (Paesi Bassi) e TU Wien (Vienna, Austria) hanno ora potuto dimostrare che si possono ottenere risultati significativi anche in ambienti così complicati. Infatti, c'è un modo per modificare specificamente il raggio laser in modo che fornisca esattamente le informazioni desiderate nel complesso, ambiente disordinato, e non solo approssimativamente, ma in un modo fisicamente ottimale:la natura non consente una maggiore precisione con la luce laser coerente. La nuova tecnologia può essere utilizzata in campi di applicazione molto diversi, anche con diversi tipi di onde, ed è stato ora presentato sulla rivista scientifica Fisica della natura .

L'aspirapolvere e la finestra del bagno

"Vuoi sempre ottenere la migliore precisione di misurazione possibile:questo è un elemento centrale di tutte le scienze naturali, " dice Stefan Rotter di TU Wien. "Pensiamo, Per esempio, dell'immenso impianto LIGO, che viene utilizzato per rilevare le onde gravitazionali:Lì, invii raggi laser su uno specchio, e le variazioni della distanza tra il laser e lo specchio vengono misurate con estrema precisione." Funziona così bene solo perché il raggio laser viene inviato attraverso un vuoto ultra spinto. Qualsiasi disturbo, non importa quanto piccolo, è da evitare.

Ma cosa puoi fare quando hai a che fare con disturbi che non possono essere rimossi? "Immaginiamo una lastra di vetro non perfettamente trasparente, ma ruvida e grezza come la finestra di un bagno", dice Allard Mosk dell'Università di Utrecht. "La luce può passare, ma non in linea retta. Le onde luminose sono alterate e disperse, quindi non possiamo vedere con precisione un oggetto dall'altra parte della finestra ad occhio nudo." La situazione è abbastanza simile quando si vogliono esaminare piccoli oggetti all'interno di un tessuto biologico:l'ambiente disordinato disturba il raggio di luce. Il semplice, il raggio laser rettilineo regolare diventa quindi un complicato modello d'onda che viene deviato in tutte le direzioni.

L'onda ottimale

Però, se sai esattamente cosa sta facendo l'ambiente disturbante al raggio di luce, puoi invertire la situazione:allora è possibile creare un modello d'onda complicato invece del semplice, raggio laser diritto, che si trasforma esattamente nella forma desiderata a causa dei disturbi e colpisce proprio dove può fornire il miglior risultato. "Per realizzare questo, non hai nemmeno bisogno di sapere esattamente quali sono i disturbi, "Dorian Bouchet, spiega il primo autore dello studio. "È sufficiente inviare prima una serie di onde di prova attraverso il sistema per studiare come vengono modificate dal sistema".

Gli scienziati coinvolti in questo lavoro hanno sviluppato congiuntamente una procedura matematica che può quindi essere utilizzata per calcolare l'onda ottimale da questi dati di test:"Puoi dimostrare che per varie misurazioni ci sono determinate onde che forniscono un massimo di informazioni come, per esempio., sulle coordinate spaziali in cui si trova un determinato oggetto."

Prendiamo ad esempio un oggetto nascosto dietro una lastra di vetro torbida:esiste un'onda luminosa ottimale che può essere utilizzata per ottenere la massima quantità di informazioni sul fatto che l'oggetto si sia spostato un po' a destra o un po' a sinistra. Quest'onda sembra complicata e disordinata, ma viene poi modificato dalla lastra torbida in modo tale da arrivare all'oggetto esattamente nel modo desiderato e restituire il maggior numero possibile di informazioni all'apparato di misura sperimentale.

Esperimenti laser a Utrecht

Il fatto che il metodo funzioni effettivamente è stato confermato sperimentalmente presso l'Università di Utrecht:i raggi laser sono stati diretti attraverso un mezzo disordinato sotto forma di una lastra torbida. Il comportamento di dispersione del mezzo è stato quindi caratterizzato, poi sono state calcolate le onde ottimali per analizzare un oggetto oltre la lastra - e questo è riuscito, con una precisione nell'ordine dei nanometri.

Quindi il team ha effettuato ulteriori misurazioni per testare i limiti del loro nuovo metodo:il numero di fotoni nel raggio laser è stato notevolmente ridotto per vedere se si ottiene ancora un risultato significativo. In questo modo, hanno potuto dimostrare che il metodo non solo funziona, ma è anche ottimale in senso fisico:"Vediamo che la precisione del nostro metodo è limitata solo dal cosiddetto rumore quantistico, " spiega Allard Mosk. "Questo rumore deriva dal fatto che la luce è composta da fotoni, non si può fare nulla al riguardo. Ma entro i limiti di ciò che la fisica quantistica ci permette di fare per un raggio laser coerente, possiamo effettivamente calcolare le onde ottimali per misurare cose diverse. Non solo la posizione, ma anche il movimento o il senso di rotazione degli oggetti".

Questi risultati sono stati ottenuti nel contesto di un programma per l'imaging su scala nanometrica di strutture a semiconduttore, in cui le università collaborano con l'industria. Infatti, possibili aree di applicazione di questa nuova tecnologia includono la microbiologia ma anche la produzione di chip per computer, dove sono indispensabili misurazioni estremamente precise.