Accastampato n. 4

Accastampato non e un periodico, pertanto non e registra-to e non ha un direttore responsabile. E un esperimento dicomunicazione realizzato dall’associazione Accatagliato de-gli studenti di Fisica dell’Universita Sapienza di Roma con ilduplice obiettivo di mostrare al pubblico non specialistico eagli studenti delle scuole superiori le ricerche portate avantinell’area romana e di fornire l’occasione agli studenti univer-sitari e ai giovani ricercatori di raccontare il proprio lavoroquotidiano e di confrontarsi con la comunicazione scientificanon specialistica.

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Indice num. 4, Febbraio 2011

EDITORIALE

Le mille facce di una rivoluzionetecnologica 5Abbiamo appena festeggiato il cinquantesimo compleannodel laser, una rivoluzione scientifica e tecnologica cheha segnato come nessun’altra la ricerca di base, quellaapplicata e la vita quotidiana. Un’occasione d’oro perribadire il successo di molte linee di ricerca a noi vicine chehanno il laser come obiettivo o che nel laser trovano unostrumento essenziale

LE SPALLE DEI GIGANTITutt’altro che un perdente 6

di D. GiovanniniSe Gordon Gould avesse seguito il suggerimento linguisticodi Arthur Schawlow, avremmo appena celebrato il cinquan-tennale del loser. Ma il laser e tutt’altro che un perdente:nato come soluzione in cerca di un problema, il laser eormai una delle applicazioni tecnologiche piu diffuse e disuccesso della teoria quantistica di luce e materia

IL RICERCATORE ROMANOAccelerazione laser-plasma 10

di S. MartellottiPassare dai chilometri dell’anello di LHC a pochi cen-timetri aumentando la potenza dei futuri acceleratori diparticelle: e la promessa ambiziosa dell’applicazione dellaser alla fisica del plasmi, in sperimentazione nell’ambitodel progetto PlasmonX di Frascati

Luce e computer quantistici 13

di F. Sciarrino e P. MataloniLe leggi della meccanica quantistica applicate all’im-magazzinamento, la manipolazione e la trasmissionedell’informazione porteranno a un notevole avanzamentonella risoluzione di vari problemi, impossibili da affrontarecon la tecnologia attuale. L’ottica quantistica e un ottimoapproccio sperimentale per la verifica di diversi concettiintrodotti nell’ambito dell’informazione quantistica

Laser ad elettroni liberi 16di M. FerrarioDa un prodotto ritenuto di scarto degli acceleratori diparticelle, la luce di sincrotrone, nasce una tecnologia chesta aprendo la strada a tecniche innovative di microscopiacon applicazioni in nanotecnologia, biologia e medicina

Luce sull’atmosfera: il LiDAR 19di R. Garra e G. CasasantaDal pulviscolo in atmosfera, alla morfologia dei fondalimarini al disboscamento virtuale delle zone sismiche:un’applicazione del laser che non smette di sorprendere

RECENSIONI

Il fascino sottile del laser 22di A. CimarelliCio che del laser stupisce e la sua pervasivita: a mezzosecolo di distanza dal primo prototipo se ne continuano ainventare nuovi tipi e a scoprirne inattese applicazioni

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EDITORIALE

Le mille facce di una rivoluzione tecnologica

E passato poco piu di mezzo secolo da quando Theodore Maiman “accese” nel 1960 il suo rubino sinte-tico producendo la prima luce laser della storia, basandosi sulle intuizioni di Albert Einstein di quaran-tatre anni prima. Cinquant’anni in cui un’invenzione predestinata ad avere un successo straordinarioha mantenuto tutte le sue promesse e continua a stupire per le sue infinite applicazioni.

Daniele Giovannini ci tratteggia cosı in Tutt’altro che un perdente una lunga storia fatta di compe-tizione tra istituzioni scientifiche, di battaglie per i brevetti, di idee presenti nell’aria che aspettavanosolo le condizioni giuste per concretizzarsi, a partire da un gioco di parole di Arthur Schawlow chenon avrebbe fatto giustizia a un’invenzione di cosı grande successo.

Tanto successo che nell’era di LHC, l’acceleratore di particelle piu grande di sempre, l’inedita ac-coppiata di laser e plasma fa intravedere un futuro di acceleratori molto piu potenti degli attuali, madecisamente piu piccoli, quasi da scrivania. Silvia Martellotti in Accelerazione laser-plasma ci aprele porte di PlasmonX, esperimento unico al mondo di accelerazione di particelle tramite plasma, chenei Laboratori Nazionali di Frascati tenta di concretizzare l’idea di due fisici americani appassionatidi surf.

Il laser non e solo uno dei concetti piu usati nella fantascienza, ma entra a pieno titolo anche nellelinee di ricerca piu avanzate della fisica moderna, come quelle attorno al computer quantistico e alteletrasporto. In Luce e computer quantistici Fabio Sciarrino e Paolo Mataloni ci offrono un rigorosospaccato di questo mondo entangled, aggrovigliato, in cui i protagonisti indiscussi sono i qubit e leapplicazioni possono avere un impatto ancora difficilmente immaginabile, ma che ha tutte le carte inregola per segnare il secolo in cui viviamo.

Laser a rubino, a gas, a diodi. . . vien da chiedersi quanti laser esistano. Massimo Ferrario ce ne proponeun tipo con un carattere da fuoriclasse: il laser ad elettroni liberi, FEL (da free electron laser pergli amici, che aprira la strada a tecniche di microscopia di altissimo livello, con applicazioni nellenanotecnologie, in biologia, in medicina. Il tutto a partire da un prodotto di scarto degli acceleratori diparticelle ad anello, la luce di sincrotrone, che negli anni ’40 era visto con fastidio e che oggi, invece,e uno degli strumenti piu potenti di indagine della struttura della materia.

Un laser, si sa, puo essere puntato in qualsiasi direzione. Perche non in cielo? Ecco che in Luce sul-l’atmosfera, il LiDAR, Roberto Garra e Giampietro Casasanta ci presentano con dovizia di particolariquesto versatile strumento di misura delle caratteristiche atmosferiche, a partire da quello realmentemontato sul tetto dell’Edificio Fermi di Fisica presso l’Universita Sapienza di Roma. Nulla evita perodi puntare lo stesso strumento verso il mare o direttamente in terra. Sempre il LiDAR rimane protago-nista, con le sue innumerevoli applicazioni di telerilevamento dei fondali oceanici e dei profili costierie di mappatura del suolo.

Davvero poche innovazioni tecnologiche come quella del laser possono insomma vantare un successocosı trasversale. Dalla ricerca di base a quella applicata, dai processi di produzione industriale all’in-trattenimento e alla vita quotidiana, i laser sono ormai presenti un po’ ovunque e sempre piu fannoimpallidire la fantasia degli autori di fantascienza che se ne avvalgono nelle loro opere. Ecco unapreziosa occasione per dare un’occhiata piu da vicino a questo straordinario strumento e per scoprirela ricerca di altissima qualita che si avvale delle sue caratteristiche uniche, a pochi chilometri dallenostre case.

Buona lettura!

accastampatoRivista degli Studenti di Fisica

dell’Universita Sapienza di Romawww.accatagliato.org

[email protected]

Alessio [email protected]

Carlo [email protected]

Silvia [email protected]

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Roberto [email protected]

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COMMISSIONE SCIENTIFICA

Giorgio [email protected]

Giovanni [email protected]

Fabio [email protected]

Lara [email protected]

Riccardo [email protected]

Francesco [email protected]

Antonio [email protected]

Antonello [email protected]

HANNO CONTRIBUITO

R. Garra e G. Casasanta, A. Ci-marelli, M. Ferrario, D. Giovanni-ni, S. Martellotti, F. Sciarrino e P.Mataloni.

SI RINGRAZIANO ANCHE

Donald E. Knuth, Leslie Lamport, ilTEX Users Group (www.tug.org)e Gianluca Pignalberi

Con il patrocinio del

accastampato num. 4, Febbraio 2011

Tutt’altro che un perdenteUn’invenzione che ha rivoluzionato la fisica moderna e la vita quotidiana

Daniele Giovannini(Dottorando presso il gruppo di ottica dell’Universita di Glasgow)

Se Gordon Gould avesse seguito il suggerimento linguistico diArthur Schawlow, avremmo appena celebrato il cinquantennaledel loser. Ma il laser e tutt’altro che un perdente: nato come solu-zione in cerca di un problema, il laser rappresenta ormai una del-le applicazioni tecnologiche piu diffuse e di successo della teoriaquantistica di luce e materia.

Figura 1 – Charles Townes e James Gordon con il loro secondo disposi-tivo maser del 1955. Da http://aip.org/history/exhibits/laser/sections/themaser.html.

Loser?

Nel 1951 Arthur Schawlow, un valente fisico statunitense di origi-ni lettoni-canadesi, lascio i laboratori Bell per iniziare a lavorareall’Universita di Stanford. Charles Townes, amico e cognato diSchawlow, racconta di come quest’ultimo, nel nuovo contesto ac-cademico, si rivelo un insegnante brillante e un arguto umorista.Tra i molti aneddoti raccontati su Schawlow, uno riguarda unaconferenza tenutasi nel 1955. Schawlow presiedeva una sessio-ne durante la quale Gordon Gould presentava un lavoro dal titolo“The L.A.S.E.R., Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation”1, quello con il quale fu introdotto, a opera dello stessoGould, l’acronimo che avrebbe presto universalmente sostituito

1 “Il L.A.S.E.R., amplificazione della luce attraverso emissionestimolata di radiazione”.

cio che fino a quel momento era noto come maser ottico. Il la-ser, Schawlow obietto, e piu un oscillatore che un amplificatore:l’amplificazione avviene infatti facendo letteralmente rimbalzareavanti e indietro le particelle di luce, i fotoni, all’interno di una co-siddetta cavita risonante. Il nuovo dispositivo proposto da Gould,suggerı Schawlow, avrebbe dovuto quindi piu appropriatamenteessere chiamato L.O.S.E.R. (che in inglese, incidentalmente, vuoldire perdente), da Light Oscillation by Stimulated Emission ofRadiation. Ma il laser, nei decenni successivi alla sua ideazione ealla realizzazione del primo prototipo funzionante, si e dimostra-to tutt’altro che un perdente: ha rivoluzionato la fisica moderna,molte tecniche di indagine scientifica e, attraverso innumerevoliapplicazioni tecnologiche, la nostra vita quotidiana.

Dal maser al laser

Fu Albert Einstein nel 1917 a introdurre l’idea secondo la quale epossibile stimolare sistemi di atomi o molecole eccitati attraver-so un’opportuna interazione con la radiazione elettromagnetica,in modo tale che questi producano altra radiazione, amplificandoin tal modo quella originariamente inviata al sistema. Il concettodi emissione stimolata rimase di interesse prevalentemente teo-rico fino all’inizio degli anni Cinquanta, quando furono ideati erealizzati i primi maser. Il maser e un dispositivo che amplifi-ca attraverso emissione stimolata le vibrazioni di un sistema dimolecole per rilasciare energia in forma di luce e calore. In ge-nerale un atomo che si trova in uno stato eccitato e che interagi-sce con un’onda elettromagnetica a una certa frequenza puo, conuna probabilita ben determinata, decadere a un livello energeticoinferiore, trasferendo l’energia cosı rilasciata al campo elettro-magnetico circostante. Si produce cosı radiazione con la stessafrequenza e direzione di quella originariamente incidente. I primimaser, descritti e sviluppati tra il 1952 e il 1960, erano in gradodi emettere radiazione in forma di microonde, da cui le due pri-me lettere dell’acronimo (Microwave Amplifier). Nikolaj Basove Aleksandr Prokhorov, che nel 1964 vinsero insieme a Townesil premio Nobel per la fisica, svilupparono nel 1955 un maser ca-pace di produrre radiazione continua, utilizzando la transizionedelle molecole tra due diversi livelli energetici superiori a quellofondamentale, di riposo, del sistema2.

2 In accordo con la teoria quantistica gli elettroni si dispongono at-torno al nucleo atomico su livelli energetici ben precisi e in conse-guenza a emissione o assorbimento di energia possono saltare da un

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LE SPALLE DEI GIGANTI

Proprio in quegli anni, nel 1957 ai laboratori Bell, Charles Townese Leonard Schawlow tentarono di estendere i principi di funzio-namento del maser dalle microonde alla radiazione infrarossa. Iprogetti per lo studio di un maser infrarosso furono pero prestoabbandonati in favore di un amplificatore di luce visibile, o maserottico. I risultati teorici di Townes e Schawlow furono pubbli-cati nel 1958, nello stesso anno in cui i Bell Labs inoltravano larichiesta di brevetto per la proposta del maser ottico.

Figura 2 – La pagina di quaderno in cui Gordon Gould conio il terminelaser nel 1957. Da http://en.wikipedia.org.

Evoluzioni parallele e convergenzetecnologiche

In realta gia negli anni Trenta le tecniche e le conoscenze teorichenecessarie a realizzare un laser erano disponibili: solo un quartodi secolo piu tardi, pero, gli eventi avrebbero fatto sı che tecnicheprecedentemente disconnesse convergessero in un’unica direzio-ne di ricerca. La nascita del laser costituisce un ottimo esempio di

livello all’altro. Quando cio avviene, si dice che vi e una transizioneenergetica dell’atomo.

evoluzione parallela di un’idea scientifica e degli attriti che pos-sono nascere quando una tale idea e tanto figlia dei tempi quantodi un affollato pantheon di menti brillanti. Contemporaneamen-te a Townes e Schawlow e dopo una conversazione con il primo,infatti, Gordon Gould, all’epoca studente di dottorato alla Colum-bia University, annoto durante il lavoro per la propria tesi l’ideadi usare un risonatore, cioe uno spazio cavo all’interno del qua-le il campo elettromagnetico oscilla naturalmente a ben precisefrequenze, per realizzare un laser. Fu pero Prokhorov, semprenel 1958, a pubblicare per la prima volta nell’Unione Sovieticauna proposta sperimentale basata su un risonatore ottico. Taleproposta fu formulata poco prima che Schawlow e Townes, ap-parentemente all’oscuro della pubblicazione di Prokhorov e dellavoro inedito di Gould, iniziassero a lavorare a uno schema spe-rimentale basato proprio sul tipo di risonatore ideato da Gould eProkhorov.

Gould invio all’inizio del 1959 una propria richiesta di brevettoper la sua idea di maser per luce visibile basato su un risonatore.Il rifiuto della richiesta di Gould da parte dell’ufficio brevetti sta-tunitense, che assegno infine l’anno successivo l’ambito brevettoai Bell Labs, dove lavoravano Schawlow e Townes, fu l’inizio diuna battaglia legale che si sarebbe protratta per ventotto anni. Fuinfatti solo nel 1987 che un Gould quasi settantenne si vide rico-nosciuta dall’ufficio brevetti la paternita intellettuale dei principidel moderno laser.

Sorprendentemente, pero, la corsa al laser tra la fine degli anniCinquanta e l’inizio dei Sessanta tra Columbia University, Goulde la TRG Corporation, i Westinghouse Research Laboratories,l’IBM e i Bell Labs non fu vinta da nessuno dei maggiori con-tendenti. Messo ormai da parte il termine maser ottico, o maser aluce visibile, quello che a pieno diritto puo essere considerato ilprimo laser funzionante fu infatti realizzato nel 1960 da Theodo-re H. Maiman agli Hughes Research Laboratories in California.Usando un rubino sintetico stimolato da brevi ma intensi impulsiluminosi e racchiuso tra due specchi paralleli, Maiman fu in gra-do di produrre un fascio di luce laser con una lunghezza d’ondadi 694 nm, tale cioe da apparire rosso all’occhio umano.

Il laser di Maiman era basato sull’eccitazione e diseccitazione de-gli atomi del mezzo attivo, in questo caso il rubino, tra tre diversilivelli energetici. Tale principio di funzionamento consentiva alprimo laser di produrre solo brevissimi impulsi luminosi, piutto-sto che un fascio continuo. Ma fu solo poco tempo dopo, nellostesso anno, che Ali Javan, William R. Bennett e Donald Herriotcostruirono il primo laser a gas, basato su una miscela di elio eneon, capace di operare in regime continuo.

La fisica del laser

Nel laser di Maiman un cilindro di rubino, costituito da una strut-tura cristallina di ossido di alluminio (Al2O3)con inclusioni di



Figura 3 – Theodore Maiman, accanto a una lampada e un cilindro dirubino simili a quelli usati nel primo laser (1960): i giornalisti interve-nuti alla conferenza stampa degli Hughes Laboratories insistettero per-che Maiman posasse con dei componenti fittizi molto piu grandi deglioriginali, viste le piccole dimensioni (e le evidentemente non apprezza-te compattezza ed eleganza) del primo laser. Da http://aip.org/history/exhibits/laser/sections/therace.html.

cromo, e posto in una cavita risonante costituita da due specchiparalleli, di cui uno parzialmente riflettente, in modo da permet-tere alla radiazione laser prodotta di uscire dalla cavita. Una lam-pada a spirale in grado di inviare impulsi luminosi ad alta inten-sita, scovata da Maiman nei cataloghi dei produttori, e cio che glipermise di battere Schawlow e i suoi collaboratori ai laboratoriBell, che tentavano invece di ottenere la produzione di luce laserstimolando il mezzo attivo con luce continua.

In questa configurazione gli impulsi luminosi eccitano gli elet-troni degli atomi di cromo, portandoli in quello che viene deno-minato un livello energetico superiore, o eccitato. L’energia cosıassorbita viene poi spontaneamente rilasciata dagli elettroni, informa di luce dal caratteristico colore rosso rubino, quando que-sti tornano al loro livello energetico di partenza. Parte della lucecosı prodotta viene riflessa avanti e indietro tra i due specchi, sti-molando cosı altre transizioni alla stessa energia, fino a produrreun fascio luminoso intenso, altamente direzionale e perfettamentemonocromatico.

Tutta la luce prodotta da un laser e infatti generata alla stessa fre-

quenza, legata al mezzo attivo utilizzato e alle caratteristiche deldispositivo: tale frequenza e pura come quella del suono prodot-to da un diapason. La luce laser si propaga prevalentemente inuna direzione ben definita con una divergenza estremamente ri-dotta, tanto che e possibile osservare chiaramente, inviando dallaTerra un segnale laser agli specchi posti sulla Luna dall’Apollo11, quanto rimane del riflesso proveniente dal nostro satellite. Ilcampo elettromagnetico associato alla luce prodotta da un laser,inoltre, oscilla in posizioni spaziali diverse con precise relazionidi fase, contrariamente alla luce ordinaria o alla radiazione pro-dotta da una sorgente termica come una lampadina. E proprio perquesta ragione che un fascio laser e in grado di propagarsi senzaallargarsi e, al tempo stesso, puo essere focalizzato in punti moltopiccoli.

Oltre al laser a rubino e a quelli a gas gia citati, che sfruttano l’ec-citazione e la diseccitazione rispettivamente di atomi di cristallie di miscele di gas, negli anni sono stati introdotti anche i diodilaser, basati sull’eccitazione elettrica di diodi a semiconduttore,dispositivi elettronici che conducono la corrente in una sola dire-zione. Proposto da Basov e Javan, realizzato per la prima voltada Robert N. Hall nel 1962 in regimi impulsati a quasi −200◦C,e finalmente reso funzionante a temperature ordinarie e con emis-sione continua nel 1970 da Zhores Alferov nell’Unione Sovieticae Izuo Hayashi e Morton Panish ai Bell Labs, il diodo laser e lesue evoluzioni hanno avuto un grande successo tecnologico, ren-dendo possibile la larghissima diffusione commerciale dei laser:dai lettori CD e DVD alle prospettive di interfacce tra i circuiti in-tegrati tradizionali e quelli fotonici, elemento centrale del futurocampo della computazione ottica.

Una soluzione in cerca di un problema

Theodore Maiman e Irnee D’Haenens, uno degli assistenti di Mai-man, definirono il laser “una soluzione in cerca di un problema”.Ma se le innumerevoli applicazioni del laser erano in principioignorate o poco apprezzate, in seguito al successo di Maiman

Figura 4 – Schema di un laser a rubino. Da http://en.

wikipedia.org/.



divennero presto evidenti. I laser possono produrre in manieracontinua radiazione a una singola frequenza con grandissima pre-cisione. La luce laser costituisce quindi, per esempio, un ottimostandard di riferimento per lunghezze e misure temporali. E in-fatti cosı pura da poter essere calibrata perfettamente sulla basedelle frequenze di risonanza di atomi e molecole, permettendola manipolazione delle loro proprieta energetiche fino al punto dafermarne il moto termico a temperature di poco superiori allo zeroassoluto. Il perfetto controllo delle caratteristiche della luce lasersi estende anche alla sua durata temporale: brevissimi impulsi la-ser consentono per esempio di analizzare reazioni chimiche e altriprocessi estremamente rapidi mentre questi avvengono.

Cinquanta anni e piu di laser

Maiman caratterizzo ironicamente la potenza del primo laser tro-vandola dell’ordine di un gillette, unita di misura di sua invenzio-ne, dato che il fascio di luce si rivelo in grado di forare e attra-versare una lama da rasoio Gillette. Anche per questa ragione,immediatamente dopo la sua invenzione, il laser entro attraversola fantascienza a far parte della cultura popolare. Perfetta incarna-zione delle armi a raggi dei racconti pulp e del raggio della mortefavoleggiato sin dagli anni Venti, ingenue armi laser comparve-ro nella serie televisiva Lost in Space (1965–1968) e nel primoepisodio di Star Trek (1964). Le armi laser furono pero prestoabbandonate da quest’ultima in favore della ben piu vaga e futu-ristica tecnologia dei phaser. Gli autori del telefilm previdero, ela storia diede loro ragione, che l’uso dei laser nella serie avrebbecausato problemi in futuro, quando fossero stati piu chiari i limitidella recente invenzione. Limiti quasi comicamente ignorati, in-vece, in Guerre stellari (ma con risultati di grande effetto). Pur sefisicamente e tecnicamente poco plausibile, pero, quella che nel-la versione italiana e universalmente nota come spada laser restauna delle armi piu memorabili della storia del cinema o, per citareObi-Wan Kenobi, “un’arma elegante, per tempi piu civilizzati”.I laser del mondo reale possono essere abbastanza potenti da in-durre la fusione nucleare, tanto precisi da sostituire i bisturi nellachirurgia o perfino manipolare oggetti estremamente piccoli co-me batteri e molecole; cosı versatili e flessibili da trovare applica-zioni nelle tecnologie delle comunicazioni, nella diagnostica perimmagini, nel controllo delle reazioni chimiche, nell’industria e,capillarmente, in innumerevoli dispositivi di uso quotidiano. Mal’ambito in cui il laser ha forse dato e continuera nel lungo termi-ne a fornire i suoi frutti piu importanti e quello della stessa fisica edelle scienze naturali in generale. Il laser, come elemento di basedi nuove applicazioni e strumento per ulteriori scoperte scienti-fiche, ha infatti interessato ogni settore della fisica degli ultimidecenni e rappresentera certamente la chiave di volta di futuri,interessantissimi sviluppi.Nel corso dei decenni successivi all’evoluzione da maser a laser,quello che avrebbe potuto essere un perdente – almeno all’anagra-

fe – si e rivelato, non del tutto inaspettatamente, uno degli sviluppiscientifici e tecnologici dotati delle piu ricche e varie applicazio-ni e ramificazioni in ogni ambito scientifico e non. Quando nel2005 Gordon Gould morı, con quattro brevetti statunitensi all’at-tivo, ottantacinquenne e milionario, il termine laser da lui coniatonei suoi taccuini era divenuto ormai da decenni di uso comune. IlL.A.S.E.R., da acronimo modellato su quello dell’ormai assai me-no noto maser, nei cinquanta anni successivi alla realizzazione delprimo laser a rubino ad opera di Theodore Maiman si e trasfor-mato in una parola di uso comune, segno evidente del vastissimoimpatto che ha avuto la sua invenzione nella nostra societa.

Bibliografia

[1] Townes C.H. e Chu S. Arthur Schawlow, Biographical Me-moirs, vol. 83, pp. 196–215. National Academy of Sciences(2003)[2] AA. VV. The word: loser. In New Scientist, vol. 2544:54(2006). URL tinyurl.com/68t7rtu[3] Schawlow A. e Townes C. Infrared and optical masers. InPhysical Review, vol. 112(6):1940–1949 (1958)AIP Bright Idea: The First Laser. URL www.aip.org/

history/exhibits/laser/

LaserFest (collaborazione tra American Physical Society, Op-tical Society, SPIE e IEEE Photonics Society). URL www.

laserfest.org

Sull’autore

Daniele Giovannini ([email protected]) ha conse-guito la laurea specialistica in fisica all’Universita Sapienzadi Roma nel 2010 nel gruppo di Ottica Quantistica con la tesi“Manipolazione di stati quantistici multidimensionali a sin-golo fotone codificati in polarizzazione e momento angolareorbitale”. Attualmente frequenta il dottorato di ricerca pressoil gruppo di ottica dell’Universita di Glasgow.


Accelerazionelaser-plasmaUna tecnica innovativa per accelerare particelle cariche

Silvia Martellotti(Dottoranda presso l’Universita Roma Tre)

Gli acceleratori di particelle rappresentano da anni lo strumento diindagine piu potente della fisica nucleare e subnucleare. Questoramo della fisica si occupa dello studio dei costituenti primi dellamateria, le cosiddette particelle elementari, come ad esempio glielettroni e i quark che compongono i protoni, e delle leggi chegovernano le loro interazioni. A partire dalla comprensione diqueste leggi possiamo scoprire come la materia che si e generataal momento del Big Bang ha interagito fino a formare l’Universoa noi conosciuto.

Il compito degli acceleratori e quello di creare fasci di particelledi altissima energia cinetica. Facendoli collidere tra loro si pos-sono efficacemente indagare le proprieta della materia: maggioree l’energia dei fasci, piu dettagliate sono le informazioni che sipossono ricavare. L’attuale limite al raggiungimento di energiesempre piu elevate e dato dal fatto che le tecnologie fino ad oggiutilizzate impongono agli acceleratori enormi costi e dimensioni.

Figura 1 – Tracciato della circonferenza di 27 km dell’acceleratore LHC,costruito sotto terra in territorio svizzero al CERN di Ginevra.

Recentemente e pero in studio una nuova tecnica che accelera par-ticelle cariche utilizzando i campi elettrici che si generano all’in-terno di plasmi eccitati da impulsi laser. Si tratta di campi elettricielevatissimi, fino a dieci volte maggiori di quelli realizzabili negliacceleratori tradizionali. Questo metodo, una volta perfezionato,permettera di accelerare particelle a energie elevatissime in spazimolto piccoli.

Gli acceleratori di oggi

Per accelerare le particelle cariche si utilizzano i campi elettrici,ma vi e una soglia di surriscaldamento e rottura dei materiali chene limita la massima intensita raggiungibile ad alcune decine diMV/m, milioni di volt per metro. Per raggiungere energie eleva-te occorre quindi che l’azione del campo elettrico sia prolungatanel tempo e per questo sono necessari acceleratori molto lunghi.Il motivo per cui spesso se ne costruiscono di forma circolare ela possibilita di far girare le particelle al loro interno piu e piuvolte. Per curvare la traiettoria delle particelle si sfrutta la forzadi Lorentz fornita da campi magnetici, ma anche in questo caso,poiche vi e un limite alla massima intensita di questi ultimi, lacirconferenza degli acceleratori deve essere molto grande.L’acceleratore di particelle piu potente mai costruito e l’LHC chesi trova ai laboratori del CERN di Ginevra (cfr. Figura 1). Si trat-ta dell’acceleratore piu grande del mondo: ha una circonferenzadi 27 km e utilizza campi magnetici maggiori di 8 T (Tesla), rea-lizzati con magneti superconduttori. Sviluppare un acceleratorepiu potente dello stesso tipo di LHC avrebbe costi e dimensionidifficilmente sostenibili. L’unico modo per superarne i limiti sa-rebbe quello di pensare a una tecnica in grado di realizzare campielettrici molto piu elevati in spazi molto piu piccoli.

Campi elettrici nei plasmi

All’interno di un plasma si possono creare campi elettrici elevatis-simi poiche non c’e pericolo di rottura, essendo un gas ionizzato(cfr. Box ). Si puo trattare anche di campi elettrici dell’ordine dicentinaia di GV/m (miliardi di volt per metro), ossia cento vol-te maggiori di quelli presenti nelle piu tecnologiche cavita degliattuali acceleratori. Per generare simili campi e necessario peroperturbare il plasma in modo intenso e mirato e questo viene fattoutilizzando degli impulsi laser opportuni.Il moto delle particelle cariche che compongono un plasma none governato dalle collisioni, che trasmettono le forze applicate alsistema solo localmente, ma dai campi elettrici e magnetici ge-nerati da concentrazioni delle cariche stesse, che sono forze cheagiscono a lunga distanza. Questo significa che introducendo nelplasma una perturbazione localizzata (come puo esserlo il pas-saggio di un impulso laser), tutte le particelle di cui e compostorispondono istantaneamente.Nella condizione di equilibrio, ossia di plasma imperturbato, elet-troni negativi e ioni positivi sono disposti in modo da mantenere,


IL RICERCATORE ROMANO

globalmente, la neutralita. Se il plasma viene perturbato dal pas-saggio di un impulso laser, gli elettroni, piu leggeri degli ioni,si allontanano dalla loro posizione di equilibrio e a questo spo-stamento segue la formazione di campi elettrici di richiamo chetendono a riportarli nella posizione di partenza. Tuttavia a causadell’inerzia, una volta messi in moto, gli elettroni che ritornanoverso la posizione di equilibrio la superano, dando cosı il via adelle oscillazioni attorno ad essa come se si trovassero al capodi una molla. Queste oscillazioni avvengono a una frequenza ca-ratteristica che dipende dalla densita elettronica e che si chiamafrequenza di plasma. E il campo elettrico generato dagli elettro-ni che oscillano all’interno di questa cosiddetta onda di plasma aessere sfruttato per accelerare particelle.Questo campo risponde a due requisiti fondamentali per l’accele-razione di particelle a energie elevate: e un campo elettrico longi-tudinale, cioe nella stessa direzione di propagazione dell’onda, ede caratterizzato da una velocita di fase, quella cioe con cui oscilla,che puo avvicinarsi quanto si vuole alla velocita della luce.

Figura 2 – Per essere accelerata dall’onda di plasma una particella de-ve avere la giusta velocita iniziale, come un surfista che si prepara aprendere l’onda dell’oceano.

Quello che succede quando un impulso laser attraversa il plasma,eccitando delle oscillazioni elettroniche al suo passaggio, e lostesso fenomeno che si verifica quando una barca, attraversandoil mare piatto, genera dietro di se delle onde di scia, con l’unica

Figura 3 – Come la barca lascia sull’acqua onde di scia al suo passaggio,allo stesso modo l’impulso laser crea un’onda nel plasma che attraversa.

differenza che nel plasma, che e un mezzo risonante, queste ondehanno una frequenza caratteristica dipendente dal mezzo. E perquesto che si parla di accelerazione sul campo di scia del laser.Per essere accelerata da questo campo elettrico una particella de-ve trovarsi sulla cresta dell’onda, in fase con essa e deve avere unavelocita opportuna. Allo stesso modo con cui un surfista deve ac-quisire una velocita iniziale per prendere l’onda dell’oceano. L’i-dea di eccitare onde di plasma longitudinali utilizzando fasci laserfocalizzati per accelerare elettroni e venuta nel 1979 a Tajima eDawson, due fisici californiani (surfisti?).

Il plasma

Il plasma e un gas ionizzato all’interno del quale gli elettroni e gli ioni che compongo-no gli atomi sono slegati e possono muoversi liberamente. In condizione di equilibrio,quando il plasma e imperturbato, elettroni e ioni si dispongono in modo da annullare icampi elettrici generati dalle loro distribuzioni di carica positive e negative e il plasma sipresenta, a livello macroscopico, come globalmente neutro. Tuttavia a governare il motodelle particelle all’interno di un plasma non sono le collisioni tra di esse, ma le forzeelettrostatiche che si esercitano tra le cariche.

I primi risultati sperimentali sono stati raggiunti solo recente-mente, poiche questa tecnica e strettamente legata alla tecnologiadei laser. Per eccitare onde di plasma di grande ampiezza occorreavere un impulso laser super intenso e ultra corto, caratterizzatoda una lunghezza d’onda pari a meta della lunghezza d’onda diplasma: solo in questo modo il sistema entra in risonanza.

Particelle sulla cresta dell’onda

Un possibile modo con cui sfruttare il campo elettrico associatoalle onde di plasma per accelerare particelle e quello di accelerarele particelle del plasma stesso. Cio puo essere fatto utilizzandoun impulso laser sufficientemente elevato da rompere l’onda elet-tronica. In questo modo gli elettroni che seguono l’oscillazioneacquistano sufficiente energia da staccarsi dalla cresta dell’ondae vengono accelerati in avanti fino a fuoriuscire dal plasma (cfr.Figuranella prossima pagina).



Piu interessante per le applicazioni future e la possibilitadi accelerare nel plasma particelle iniettate dall’esterno.

Se si immette all’internodel plasma eccitato da la-ser un pacchetto di particel-le sufficientemente stretto(meta della lunghezza d’on-da di plasma) e con la giu-sta fase rispetto alla cre-sta dell’onda, le particel-le iniettate possono esserespinte in avanti e accelera-te dall’onda stessa. Per fare

questo e sufficiente utilizzare plasmi con lunghezze dell’ordine diqualche centimetro, da confrontare con i metri di lunghezza degliacceleratori canonici.Attualmente ai Laboratori Nazionali di Frascati e in via di realiz-zazione proprio l’esperimento PlasmonX, il primo in assoluto cheprevede di accelerare tramite plasma un pacchetto di particelleiniettate dall’esterno come appena descritto.

Bibliografia

[4] Tajima T. e Dawson J. Laser electron accelerator. In PhysicalReview Letters, vol. 43(4):267–270 (1979)[5] Giulietti D., Galimberti M., Giulietti A., Gizzi L., NumicoR., Tomassini P., Borghesi M., Malka V., Fritzler S. e PittmannM. Multi-MeV electrons produced by a femtosecond laser pulsepropagating in an exploding foil plasma. In Workshop on 2ndGeneration Laser and Plasma Accelerators, France (2001)Progetto FLAME dell’INFN presso i Laboratori Nazionali diFrascati. URL tinyurl.com/6hdvjrf

Sull’autore

Silvia Martellotti ([email protected]) ha conseguito la laurea specialistica in fisica al-l’Universita Sapienza di Roma nel 2010 con la tesi “LoSpettrometro Magnetico dell’esperimento PlasmonX”.Attualmente e dottoranda presso l’Universita Roma Tre.

Luce e computerquantisticiVerso l’ottica quantistica integrata per l’informazione quantistica

Fabio Sciarrino, Paolo Mataloni(Gruppo di Ottica Quantistica del Dipartimento di Fisica dell’Universita Sapienza di Roma)

L’uso delle leggi della meccanica quantistica per l’immagazzina-mento, la manipolazione e la trasmissione dell’informazione po-trebbe portare a un notevole avanzamento nella risoluzione di variproblemi, altrimenti impossibili da affrontare con la tecnologia at-tuale. In questo contesto l’ottica quantistica rappresenta un ottimoapproccio sperimentale per la verifica di diversi concetti introdottinell’ambito dell’informazione quantistica, in quanto i fotoni sonopraticamente immuni alla decoerenza e possono essere trasmessicon grande facilita su grandi distanze, sia nello spazio libero chein fibra ottica.

Diverse sono le applicazioni di queste metodologie nel campodella comunicazione e della computazione: il teletrasporto, lacrittografia quantistica [6], la simulazione quantistica di fenomenifisici, la computazione quantistica [7].

Informazione Quantistica

Il campo dell’Informazione Quantistica (d’ora in poi IQ) nascecome unione fra la teoria dell’Informazione e la Meccanica Quan-tistica. Le sue origini possono essere ricondotte a una proposta diRichard Feynman che risale alla prima meta degli anni Ottantadel secolo scorso. Secondo Feynman il computer quantistico, ov-vero un dispositivo nel quale le basi degli algoritmi della teoriadell’informazione vengono riformulate nel contesto matematicodella meccanica quantistica, diventerebbe uno strumento neces-sario per simulare e analizzare correttamente i processi naturaliquantistici. L’IQ, in virtu delle sue caratteristiche predittive e del-la sua intrinseca natura interdisciplinare, ha richiamato l’attenzio-ne di diverse aree sia della fisica teorica e sperimentale, come adesempio la fisica atomica, l’ottica quantistica, la fisica dei laser,la materia condensata, ecc., sia di altre discipline, come la com-puter science, la complessita matematica, le scienze dei materiali,le discipline ingegneristiche [8].

Figura 1 – Sorgente di stati di fotoni multipath entangled. Da [9].

Negli ultimi due decenni l’IQ ha compiuto enormi progressi, siada un punto di vista teorico che sperimentale, e ci si aspetta chepossa dare un contributo a diverse aree scientifiche e tecnologi-che nel prossimo futuro [10]. Nell’ambito dell’IQ, se da un latola computazione quantistica e volta a fornire le basi per ottenerecapacita computazionali che vadano oltre le possibilita dei com-puter classici, dall’altro la crittografia quantistica mira a garantire,almeno in via di principio, la capacita di effettuare comunicazioniassolutamente sicure.- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

L’ottica quantistica e un eccellente bancodi prova sperimentale per i concetti

dell’informazione quantistica- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Da un punto di vista piu fondamentale, uno degli scopi principalidell’IQ e approfondire e comprendere gli aspetti sottili della mec-canica quantistica al fine di formulare, manipolare, processare ecomunicare l’informazione nel modo piu efficiente possibile uti-lizzando sistemi fisici basati sui suoi principi. Questo obiettivorichiede necessariamente un’interfaccia priva di fenomeni di de-coerenza tra il mondo microscopico delle singole particelle quan-tistiche (fotoni, atomi, ecc.) e i sistemi di misura macroscopiciche rendono l’informazione accessibile all’uomo.

Un groviglio di qubit

L’IQ si basa sul concetto di quantum bit o qubit, ovvero un si-stema quantistico bidimensionale che in generale non possiede ivalori definiti di un bit classico 0 e 1, ma che si trova in quelloche viene chiamato uno stato di sovrapposizione coerente dei duestati di base |0〉 e |1〉. Questo stato presenta proprieta non usua-li, in particolare quando si realizza in sistemi composti. Infatti lacaratteristica peculiare che identifica la meccanica quantistica ela possibilita di rendere entangled1 qubit differenti. Riconosciutoper primo da Erwin Schrodinger come “il tratto caratteristico del-la meccanica quantistica”, l’entanglement rappresenta la risorsachiave per la manipolazione e l’analisi dell’informazione quanti-stica. Essa deriva dalle correlazioni non-locali tra le diverse partidi un sistema quantistico e racchiude i tre elementi strutturali dibase della teoria quantistica, ossia il principio di sovrapposizione,

1 La parola entangled puo essere tradotta in italiano comeaggrovigliato, intrecciato.



la non-separabilita e la possibilita di accrescere in modo espo-nenziale lo spazio degli stati con il numero delle sue partizioni.L’entanglement non ha nessun analogo classico. Questa risor-sa, associata alle correlazioni non-classiche tra sistemi quantisticiseparati, puo essere sfruttata per scopi crittografici e computa-zionali che sono impossibili da perseguire con sistemi puramenteclassici. Uno stato entangled condiviso da due o piu partecipantidistinti e una importante risorsa per protocolli di comunicazionequantistica, come ad esempio la crittografia e il teletrasporto.

Ottica Quantistica

Negli ultimi anni, l’Ottica Quantistica (d’ora in poi OQ) si e rive-lata un eccellente banco di prova per realizzare sperimentalmentei concetti introdotti nel contesto dell’IQ: gli stati fotonici posso-no essere facilmente e accuratamente manipolati usando dispo-sitivi ottici lineari e non lineari e possono essere efficientementemisurati per mezzo di rilevatori a singolo fotone [11] [12].

Il qubit puo essere fisicamente realizzato considerando gli statidi polarizzazione di un singolo fotone come stati di base. Daun punto di vista pratico, singoli fotoni o coppie di fotoni sonoportatori ideali di informazione per la comunicazione quantisticapotendo essere distribuiti su lunghe distanze nello spazio libero omediante fibre ottiche con basse perdite.

Il processo ottico non lineare chiamato spontaneous parametricdown conversion (SPDC) costituisce un approccio molto efficaceper generare coppie di fotoni entangled. Esso consiste in un effet-to attraverso il quale e possibile generare in modo probabilisticocoppie di fotoni dall’eccitazione di un cristallo da parte di un fa-scio laser. Lo stato quantistico di questa coppia di fotoni e unostato entangled nei gradi di liberta della frequenza e del momen-

Figura 2 – Dispositivo ottico integrato per la manipolazione di stati difotoni entangled in polarizzazione. Da [13].

to del fotone, ma a seconda dell’interazione non lineare i fotonipossono essere entangled anche in polarizzazione.

Coppie di fotoni entangled hanno costituito lo strumento centraleper diversi esperimenti fondamentali e applicazioni. Una spetta-colare e paradigmatica applicazione dell’entanglement e rappre-sentata dal teletrasporto di uno stato quantistico (QST), propo-sta dal gruppo di Bennett in [14] e realizzata per la prima vol-ta nel 1997 in due esperimenti differenti a Roma e a Innsbruck[15] [16]. Attualmente la crescente proliferazione di applicazionidell’entanglement quantistico, dalla crittografia quantistica [6] aicampi della metrologia e della litografia quantistica, richiamanola necessita di tecniche innovative che siano anche flessibili e af-fidabili per generare stati entangled di dimensioni crescenti e perrealizzare protocolli ancora piu avanzati. Allo stesso tempo l’a-bilita di generare e manipolare sistemi quantistici di complessitacrescente richiede lo sviluppo di tecniche e strumenti finalizza-ti alla caratterizzazione sia delle sorgenti che dei processi fisiciadottati. Un notevole sviluppo e rappresentato dall’implementa-zione della tecnica di tomografia degli stati quantistici di sistemia molti qubit e dei processi quantistici a uno e due qubit.

Un approccio fotonico che puo essere adottato per elaborare la IQsi basa esclusivamente su componenti ottici lineari come beam-splitter2, beam-splitter polarizzatori e rilevatori di singoli fotoni.In un lavoro fondamentale E. Knill, R. Laflamme e G. J. Milburnhanno mostrato che e possibile realizzare un computer quantisti-co scalabile con sorgenti e rilevatori di singoli fotoni e con l’usodell’ottica lineare [11]. Questo lavoro ha rivelato tutta la potenzadell’ottica lineare stimolando una grande quantita di ricerche teo-riche e sperimentali che hanno conseguito notevoli risultati tra cuivarie realizzazioni sperimentali di una porta logica a due qubit, lacosiddetta Gate Control-NOT (C-NOT) [12].

La sfida tecnologia delle guide d’onda

La possibilta di manipolare l’informazione quantistica attraversoi fotoni rappresenta una grande sfida tecnologica poiche richiedela capacita di controllare ciascun sistema quantistico con eleva-ta precisione. Lo sviluppo continuo di sistemi ottici di crescentecomplessita formati da vari interferometri3, elementi base dellatecnologia ottica, richiede l’uso di sistemi miniaturizzati integra-ti in guida d’onda. Il vantaggio di lavorare con le guide risie-de essenzialmente nella loro elevata stabilita di fase e nelle lororidotte dimensioni, confrontate con quelle di interferometri tra-dizionali costruiti su sistemi costituiti da specchi e beam-splitterconvenzionali.

2 Si tratta di specchi semiriflettenti che permettono di separare unfascio luminoso e indirizzarlo su due cammini diversi.

3 Strumento di base dell’interferometria che permette di stu-diare gli effetti di composizione delle onde (in particolareelettromagnetiche).



Figura 3 – Possibile architettura di un processore quantistico realizzatocon l’ottica integrata.

E stata di recente dimostrata la possibilita di utilizzare guide d’on-da in silicio per applicazioni quantistiche [17] [18] [19]. Tali gui-de sono infatti state usate per creare un interferometro di alta sta-bilita e precisione, che realizza una porta logica a due qubit ingrado di generare l’entanglement. Piu precisamente tali circuitisono stati utilizzati per realizzare la prima porta logica C-NOTintegrata con caratteristiche del tutto confrontabili con il valoreteorico aspettato [19].

Piu recentemente e stata anche dimostrata la possibilita di uti-lizzare guide d’onda scritte su vetro attraverso l’uso di laser afemtosecondi di elevata intensita, per la realizzazione di alcuniesperimenti di interferometria quantistica. In particolare il grup-po di Ottica Quantistica del Dipartimento di Fisica dell’UniversitaSapienza di Roma, in collaborazione con l’Istituto di Fotonica eNanotecnologie del CNR e il Politecnico di Milano, ha realizza-to un dispositivo integrato che preserva il grado di polarizzazionedei fotoni guidati [13]. Queste peculiarita permetteranno in futuroil suo possibile utilizzo in protocolli di informazione quantistica,come la crittografia e la computazione quantistica.

Bibliografia

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Sull’autore

Paolo Mataloni ([email protected]) eprofessore ordinario presso il Dipartimento di Fisica dell’U-niversita Sapienza di Roma ed e direttore dei Laboratori diOttica Quantistica: http://quantumoptics.phys.

uniroma1.it. Fabio Sciarrino ([email protected]) e ricercatore universitario presso il Dipar-timento di Fisica dell’Universita Sapienza di Roma.


Laser ad elettroni liberiProdurre radiazione coerente dalla luce di sincrotrone

Massimo Ferrario(INFN/LNF – Laboratori Nazionali di Frascati)

Una particella carica in moto su un’orbita curvilinea emette spon-taneamente radiazione elettromagnetica detta luce di sincrotrone[20]. La prima osservazione diretta di questo fenomeno fu effet-tuata nel 1947 osservando l’intensa luce uscente da una finestrainstallata su un piccolo acceleratore circolare di particelle, un sin-crotrone appunto, ed e stata considerata per molto tempo un ef-fetto di disturbo per la dinamica delle particelle accelerate, cheperdono parte della loro energia proprio sotto forma di energia ir-raggiata. Uno studio piu accurato del fenomeno [21] rivelo chela luce di sincrotrone e la sovrapposizione di un ampio spettro diradiazioni con lunghezze d’onda che si estendono dal lontano in-frarosso fino ai raggi X e che puo essere utilizzata come potentesorgente di radiazione per effettuare indagini sulla natura micro-scopica dei materiali, delle cellule, delle proteine e per ottenereimmagini ad altissima risoluzione di tessuti biologici.

Figura 1 – Un modulo dell’ondulatore di SPARC.

Dalla luce di sincrotrone al laser

Il Laser ad Elettroni Liberi [22], spesso chiamato FEL dall’acro-nimo inglese Free Electron Laser, e una sorgente di luce di sincro-trone in grado di produrre radiazione elettromagnetica monocro-matica anche a lunghezza d’onda inferiore a un milionesimo dimillimetro (raggi X). Questo dispositivo consiste essenzialmentein un lungo magnete, detto ondulatore e visibile in Figura 1, ca-ratterizzato da un campo magnetico sinusoidale prodotto da unaserie di piccoli dipoli magnetici con polarita alternata, in cui vieneiniettato un fascio di elettroni di alta densita di carica prodotto daun acceleratore lineare (Linac). All’interno di questa struttura ma-gnetica gli elettroni emettono radiazione di lunghezza d’onda λr,detta di risonanza, direttamente proporzionale al periodo del cam-

po magnetico dell’ondulatore λu e inversamente proporzionale alquadrato dell’energia degli elettroni γ2: λr ∝

λuγ2 [23].

In una prima fase, detta di letargia, l’interazione tra il fascio dielettroni e la radiazione emessa dal fascio stesso mentre viaggiaall’interno dell’ondulatore produce una ridistribuzione spazialedegli elettroni in tanti piccoli pacchetti, distanziati esattamenteuna lunghezza d’onda di risonanza, come mostrato in Figura 2.

In questo modo miliardi di elettroni si auto-organizzano per par-tecipare all’emissione di radiazione in fase tra loro (coerenza) ealla stessa lunghezza d’onda (monocromaticita) con una crescitaesponenziale della potenza emessa. Il processo si arresta quan-do gli elettroni hanno convertito in energia elettromagnetica unafrazione tale della loro energia cinetica iniziale (> 5%) da nonsoddisfare piu la condizione di risonanza: si e nella fase di sa-turazione. Inoltre, poiche la lunghezza d’onda emessa dipendedall’energia degli elettroni, e possibile modificare la lunghezzad’onda cambiando l’energia del fascio iniettato nell’ondulatore,cosa impossibile con i laser convenzionali.

Il FEL consentira di aumentare di parecchi ordini di grandezza lapotenza di picco (flusso di fotoni) rispetto alle migliori sorgentiattuali di luce di sincrotrone, con notevoli vantaggi per la ricercae per la tecnologia industriale. Si potranno utilizzare ad esempiotecniche innovative basate sulla formazione d’immagini a raggiX, sia nella scienza dei materiali (nanotecnologie) che in biolo-

Figura 2 – Moto degli elettroni all’interno dell’ondulatore e corrispon-dente curva di crescita di intensita della radiazione emessa. Il fasciodi elettroni (ellisse arancione) e rappresentato nelle tre fasi principali:letargia, crescita esponenziale, saturazione.



gia o medicina, aprendo nuove prospettive nella microscopia araggi X e rendendo possibili nuove metodologie nel campo dellacristallografia delle proteine.

Il progetto SPARC

Nato da una collaborazione tra l’INFN, l’ENEA e il CNR, il pri-mo FEL italiano in grado di produrre radiazione monocromaticaa 500 nm (nella regione dello spettro corrispondente al verde) eentrato in funzione nel Gennaio 2009 a Frascati.

Lo schema di Figura 3 illustra le componenti principali diSPARC. Un fascio di elettroni viene generato per effetto fotoe-lettrico da un catodo in rame posto all’interno di una struttura ac-celerante (Gun) che cattura il fascio e lo accelera fino all’energiadi 5 MeV. Il fascio viene ulteriormente accelerato fino all’energiadi 150 MeV da tre strutture acceleranti e trasportato fino all’in-gresso dell’ondulatore, composto da sei moduli di circa due metridi lunghezza ciascuno con un campo magnetico massimo di cir-ca 1 T e periodo di 2.8 cm. Per cambiare l’energia del fascio edi conseguenza il colore della radiazione emessa e sufficiente va-riare il campo accelerante nel Linac. Un’immagine recente delLinac di SPARC e riportata in Figura 4.

Figura 3 – Schema del progetto SPARC.

SPARC e un esperimento pilota in cui vengono studiati nuovischemi di generazione di fasci di elettroni e soluzioni innovati-ve per migliorare la qualita e la durata temporale della radiazioneemessa, in vista di possibili sviluppi nell’area romana di macchi-ne di maggiore energia (1÷ 2 GeV) in grado di generare radia-zione X. La produzione di impulsi di radiazione ultra-corti, delladurata inferiore a decine di femtosecondi, aprirebbe nuove pro-spettive per lo studio di fenomeni veloci caratteristici delle rea-zioni chimiche di interesse biologico, quali ad esempio le reazionifotosintetiche.

Figura 4 – Vista del Linac di SPARC.

Il panorama internazionale e il futuro

I notevoli risultati ottenuti nell’ultimo decennio con gli esperi-menti pilota negli Stati Uniti (UCLA, VISA e LEUTL), dove lafisica del FEL e stata studiata in dettaglio fino al regime di satu-razione, e la prima macchina aperta anche agli utenti, FLASH aDESY (Amburgo), in grado di offrire radiazione coerente fino a5 nm, hanno stimolato il proliferare di nuovi progetti in tutto ilmondo, come illustrato nella Figura 5.La frontiera dei raggi X (1 A) e stata raggiunta nel 2009 con ilprogetto LCLS a SLAC (Stanford) con un fascio di elettroni da15 GeV, offrendo un nuovo strumento rivoluzionario a una va-sta comunita scientifica. Si veda ad esempio nella Figura 6 loschema di un esperimento in preparazione a LCLS per la misuradella struttura delle proteine con la tecnica della diffrazione dellaradiazione X.In Italia oltre al progetto dimostrativo SPARC sta per entrare infunzione un altro FEL a Trieste in grado di offrire radiazione dilunghezza d’onda fino a 10 nm. La comunita scientifica si sta oraorganizzando per un ulteriore passo significativo: la realizzazio-ne di un FEL a raggi X ultracompatto. La via maestra a questoscopo sembra passare attraverso lo sviluppo di acceleratori di par-ticelle a plasma [24], in grado di produrre campi acceleranti finoal TV/m, riducendo cosı le dimensioni di un FEL a raggi X daalcuni chilometri a pochi centimetri.

Figura 5 – Distribuzione dei progetti FEL nel mondo. I cerchi bianchiindicano gli esperimenti pilota non piu in funzione. I cerchi coloratiindicano i progetti in via di sviluppo basati su tecnologie superconduttive(blu) e normal conduttive (rossi).


Figura 6 – Schema di misura della struttura delle proteine con ladiffrazione dei raggi X prodotti da LCLS.

Bibliografia

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sparc/

Laser a elettroni liberi FLASH: flash.desy.deProgetto LCLS a SLAC: tinyurl.com/2cl4scjLaser a elettroni liberi FERMI: www.elettra.trieste.it/FERMI/

Sull’autore

Massimo Ferrario ([email protected]) e in servizio dal 1991 presso i Laboratori Nazionalidi Frascati dell’INFN. Ha collaborato alla progettazione de-gli iniettori di LCLS e di FLASH, e responsabile nazionaledel progetto SPARC di Frascati e insegna fisica del FEL alDipartimento di Fisica dell’Universita Sapienza di Roma.

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Luce sull’atmosfera:il LiDARUna tecnologia laser per indagare cielo, mare e terra

Roberto Garra, Giampietro Casasanta(Dipartimento di fisica dell’Universita Sapienza di Roma)

La comprensione e lo studio dei processi fondamentali che hannoluogo nell’atmosfera terrestre sono legati a doppio filo con lo svi-luppo degli strumenti per il sondaggio delle grandezze fisiche cheli caratterizzano: concentrazione dei vari costituenti, densita, ve-locita e direzione dei venti, ecc. Alcuni di questi strumenti, chia-mati di telerilevamento attivo, sono basati sullo studio della rispo-sta del sistema fisico a un’emissione di onde elettromagnetiche oacustiche. In questo campo uno degli strumenti piu utilizzati econ una consolidata storia alle spalle e il LiDAR, Light DetectionAnd Ranging, uno strumento di monitoraggio a sorgente laser.L’idea di analizzare la luce retrodiffusa dalle particelle alle diver-se quote per misurare il profilo di densita dell’alta atmosfera pre-cede addirittura l’invenzione del laser1. Infatti dagli studi di Ray-leigh (1842–1919) e Mie (1869–1957) sull’interazione tra luce emateria era chiaro che, attraverso lo studio della luce retrodiffusadai diversi strati dell’atmosfera, sarebbe stato possibile dedurrela composizione della stessa con la conoscenza dei coefficienti diassorbimento e diffusione dei diversi costituenti.

Dal laser al LiDAR

Parallelamente all’invenzione del laser nel 1960 iniziarono i primisviluppi della moderna tecnologia LiDAR. Storicamente il primoa utilizzare il laser per il telerilevamento attivo in atmosfera e statoGiorgio Fiocco2 [27], docente di Fisica Terrestre all’UniversitaSapienza di Roma e membro del G24, il gruppo di ricerca cheusa quotidianamente sistemi LiDAR montati al quinto piano delNuovo Edificio di Fisica (cfr. Figura 1) per lo studio di diversiparametri atmosferici [28].La storia degli sviluppi delle tecniche LiDAR si muove parallela-mente agli sviluppi tecnologici dei laser e dell’elettronica moder-na, verso prestazioni sempre piu alte nella risoluzione spaziale etemporale delle misure per il sondaggio atmosferico e non solo.Nel tempo sono stati costruiti, a seconda delle esigenze di ricer-ca, diversi modelli di LiDAR atti allo studio di vari processi, daquelli turbolenti della bassa atmosfera a quelli legati a bassissimeconcentrazioni di gas o alla distribuzione degli aerosol, particellemicrometriche o nanometriche che svolgono un ruolo importantenei processi radiativi in atmosfera. Questi ultimi possono ave-re origine naturale o antropogenica e il problema della loro inci-

1 I primi studi sulla composizione dell’alta atmosfera basati sullarisposta a emissione luminosa risalgono al 1930. Si veda [25].

2 A proposito dell’attivita scientifica del professor Fiocco, che e statoanche direttore dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), si veda [26].

denza diretta e indiretta sul cambiamento climatico globale e unaquestione aperta e molto studiata. Si puo vedere ad esempio il re-port dell’IPCC del 2007 su questo problema, mentre sui possibilieffetti indiretti si veda anche [29].

E impossibile in questa breve nota dar conto dei numerosi svilup-pi nella ricerca legata al LiDAR [30], pertanto tenteremo di for-nire un’idea del principio di funzionamento di questo strumentodescrivendone una tipologia particolare, che sfrutta i processi diretrodiffusione elastica in atmosfera.

Figura 1 – Foto di uno dei sistemi LiDAR con emissione a 532 nm (co-lore verde) installato sul tetto del Nuovo Edificio di Fisica all’UniversitaSapienza di Roma. Da g24ux.phys.uniroma1.it.



Uno sguardo dentro il LiDAR

Focalizziamo la nostra attenzione sull’apparato rappresentatoschematicamente in Figura 2. Il sistema e composto da una sor-gente laser che emette verticalmente radiazione di una certa lun-ghezza d’onda (nel caso della Figura 1 a circa 532 nm, corrispon-dente al verde) e da un ricevitore che, attraverso un opportunosistema ottico, raccoglie la luce retrodiffusa da ogni strato di spes-sore ∆z del mezzo sovrastante e la incanala verso un rilevatore diradiazione.

Il fotomoltiplicatore e un rilevatore di radiazione che converte ilsegnale luminoso in una corrente di elettroni e quindi in un se-gnale analogico. I fotoni colpiscono una superficie fotosensibilechiamata fotocatodo, da cui vengono emessi per effetto fotoelet-trico degli elettroni, che vengono poi accelerati con una serie dielettrodi (chiamati dinodi) disposti all’interno di un tubo da vuo-to. Gli stessi elettroni, colpendo i dinodi, stimolano l’emissionedi altri elettroni, da cui una moltiplicazione a cascata che arrivaall’altra estremita del tubo chiamata fotoanodo. Il segnale vieneinfine elaborato e analizzato tramite un computer. Questa sche-matizzazione semplificata descrive una particolare configurazio-ne, detta monostatica, dell’apparato LiDAR, utilizzata spesso perlo studio dei processi di retrodiffusione (backscattering) elasticadella radiazione3.

Ma cosa possiamo imparare dallo studio del segnale registrato?Per capirlo e necessario riflettere sui processi di interazione nel-l’atmosfera tra la radiazione e la materia presente alle diverse quo-te. Nella configurazione appena descritta la sorgente luminosa equasi monocromatica, cioe a lunghezza d’onda fissata, ad esem-pio nel visibile, e proveniente da un laser impulsato. Le carat-teristiche della sorgente laser sono fondamentali nel determinarela risoluzione spaziale e temporale della misura: la durata degliimpulsi permette di determinare la quota alla quale la radiazioneraccolta a un certo istante e stata diffusa. La luce emessa dal laserinteragisce con le particelle presenti nei vari strati dell’atmosferae in generale puo essere assorbita o diffusa in modo diverso alvariare dalle caratteristiche fisiche e geometriche delle particel-le, che possono essere molecole o aerosol. Il segnale registratoe il risultato di una serie di interazioni della luce con la materia,descritte da una legge di estinzione4.

3 Si definisce elastico un processo di diffusione in cui la lunghezzad’onda della radiazione incidente e approssimativamente uguale aquella della radiazione diffusa.

4 Per i piu curiosi e una legge del tipo P(z) = P0Az2 ηott

cτ

2 β(z)T 2(z), incui P(z) e la potenza misurata dal sensore in funzione della quota, P0

la potenza emessa dal laser, A l’area del telescopio, ηott l’efficienzaottica del sistema, c la velocita della luce, τ la durata dell’impulsodi radiazione emesso dal laser, β il coefficiente di retrodiffusione,T 2(z) = exp−2

∫ z0 α(z′)dz′ la trasmissivita dell’atmosfera nel processo

che va dalla quota dello strumento a z. Il coefficiente di estinzioneα(z) tiene conto dei processi alle diverse quote.

Figura 2 – Schema dell’apparato LiDAR in configurazione monostatica:un fascio laser viene sparato verso l’alto e diffuso dallo strato di spes-sore ∆z a quota Z. La luce diffusa viene poi raccolta da un telescopio eindirizzata a un rilevatore che consente di analizzare il segnale.

Aerosol in atmosfera

Lo studio del ruolo degli aerosol atmosferici e molto importan-te nella ricerca attuale in fisica dell’atmosfera, specialmente perla comprensione dei processi di trasferimento radiativo. A dif-ferenza delle proprieta ottiche delle molecole, descritte in modocompleto dalla teoria di Mie, l’indagine sulle proprieta ottiche deidiversi tipi di aerosol presenti in atmosfera e sull’effetto della loropresenza e un argomento tuttora molto studiato e il LiDAR e unodegli strumenti piu utilizzati a questo scopo.

Per chiarire questo punto e sufficiente guardare la Figura 3, in cuisi presenta il rapporto di retrodiffusione5 giornaliero alle diversequote, in un sondaggio effettuato alla Sapienza il 19 luglio 2010.Questo grafico mostra l’effetto della presenza degli aerosol allediverse quote e al variare delle ore rispetto alla diffusione che siavrebbe in un’atmosfera puramente molecolare. Tramite sondag-gi di questo tipo e possibile indagare la distribuzione degli aerosolal variare della quota.

5 Sempre per i curiosi, il rapporto di retrodiffusione e definito da R =

1+ βaβm

, in cui βa e il coefficiente di retrodiffusione aerosolico e βm

quello molecolare.



Figura 3 – Esempio di un sondaggio giornaliero sul rapporto di retrodif-fusione effettuato con il LiDAR alla stazione della Sapienza il 19 luglio2010. Da g24ux.phys.uniroma1.it.

Oltre l’atmosfera

Fin qui abbiamo accennato ad alcune applicazioni del LiDAR nel-la fisica dell’atmosfera, riguardanti lo studio dei processi di trasfe-rimento radiativo e degli aerosol e il sondaggio delle grandezze fi-siche e meccaniche (densita, temperatura, velocita e direzione delvento). Ma il LiDAR e uno strumento ormai utilizzato in un grannumero di applicazioni, dal monitoraggio ambientale all’oceano-grafia. In particolare sono diversi gli utilizzi dei sistemi LiDARmontati sugli aerei, detti Airborne Lidar, che consentono di faresondaggi atmosferici da quota, ma anche di effettuare misure sul-la profondita dei fondali marini [31]. Da questo punto di vista ilLiDAR ha anche diverse applicazioni nella gestione delle regio-ni costiere, consentendo di avere un quadro estremamente precisodella geomorfologia dei bacini dei fiumi e dei bacini marini anchenelle zone meno profonde.

Similmente il LiDAR consente di effettuare una fotografia dellatopografia terrestre anche in zone boscose. Questa potenzialitae stata recentemente esplorata per lo studio delle faglie attive inregioni a rischio sismico in cui la copertura boscosa non consenti-rebbe di identificarle in altri modi [32]. Esiste infatti un algoritmoche consente di disboscare virtualmente la regione interessata edi studiare in modo diretto la topografia della superficie. L’indivi-duazione con questo metodo delle faglie attive puo avere un ruo-lo importante per l’identificazione delle zone a maggiore rischiosismico su un territorio.

Una menzione particolare va poi data al progetto della NASA,realizzato nel 1994, basato sul montaggio della tecnologia Li-DAR a bordo di una stazione spaziale. Il progetto Lidar In-space Technology Experiment (LITE) ha portato a diversi studisull’atmosfera terrestre, dai processi radiativi, allo studio dell’ef-fetto degli aerosol sull’albedo, all’evoluzione dello strato limiteplanetario (PBL) [33].

Si puo insomma ben dire che il LiDAR sia uno di quegli strumentiche ci stanno aiutando, non solo metaforicamente, a portare unpo’ di luce nella nostra comprensione della natura.

Bibliografia

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Sull’autore

Roberto Garra ([email protected]) e studente spe-cializzando in geofisica all’Universita Sapienza di Ro-ma e fa parte dello staff del sito degli studenti ac-catagliato.org. Giampietro Casasanta ([email protected]) e dottorando in telerilevamentopresso il gruppo G24 dell’Universita Sapienza di Roma.


RECENSIONI

Il fascino sottile del laser

“A oltre quarant’anni di distanza dalla sua invenzione, il laser continua a creare intorno a se un’atmo-sfera mista di curiosita e meraviglia. La curiosita e essenzialmente alimentata dal fatto che nuovi tipidi laser vengono ancora oggi inventati e nuove, affascinanti, persino impensabili applicazioni vengonocontinuamente introdotte. Il senso di meraviglia, cui non si sottrae anche il lettore meno informato, de-riva soprattutto dal carattere pervasivo del laser: non esiste infatti campo della scienza e della tecnicache non sia stato influenzato, a volte in maniera rivoluzionaria, da questa invenzione”.

Il giudizio di Orazio Svelto sul laser e molto semplice, ma contiene tutto cio che rende speciale questatecnologia. L’autore di “Il fascino sottile del laser” e del precedente “Principles of laser” del 1970,punto di riferimento internazionale per la didattica in questo campo, e un ingegnere italiano, laureatoal Politecnico di Milano e attualmente ordinario di fisica della materia. E socio dell’Accademia deiLincei e dell’Accademia Nazionale delle Scienze e il suo lavoro si e concentrato sullo sviluppo dinuovi laser a stato solido, sulla generazione di impulsi ultra-brevi di luce laser e sulle applicazioni dellaser in medicina e biologia e ha prodotto tre brevetti nel settore. Nel 2000 il Comitato del PremioNobel per la fisica, su segnalazione di numerosi proponenti, ha deciso di assegnare il nuovo PremioNobel nell’ambito dei laser, nominando il prof. Svelto come consulente ed esperto, riconoscendogliesperienza internazionale nel settore. Nel maggio del 2006 ha ottenuto l’importante Premio “CharlesTownes” della Optical Society of America, istituito in onore del padre del laser e assegnato annual-mente a quello scienziato autore di lavori di eccellenza, scoperte o invenzioni nel settore dei laser edell’elettronica quantistica

“Il fascino sottile del laser” non e propriamente un libro sui laser, ma l’autobiografia di un uomo che haspeso l’intera vita professionale al loro studio. Un breve testo, nemmeno cento pagine, in cui trovanoposto numerose riflessioni sulla situazione attuale italiana, sia nell’ambito della ricerca, che in quelloformativo e politico. Un esempio e la seguente considerazione sulla riforma universitaria in atto che,benche del 2007, accompagna perfettamente la recente nomina dei membri dell’ANVUR (AgenziaNazionale per la Valutazione del Sistema Universitario e della Ricerca): “tre sono le cose da non fare:non rassegnarsi, non negare la gravita della crisi, non addossarsi vicendevolmente le colpe, di controridare valore al merito, valutare periodicamente i risultati conseguiti da docenti e ricercatori, mettendoin preventivo che molte sono e saranno le resistenze al cambiamento”.

Quella dell’autobiografia scientifica e una formula editoriale gia testata con successo su luminari dellospessore di Edoardo Bancinelli e Margherita Hack: l’intreccio tra il vissuto umano e quello profes-sionale, tra percorsi culturali, sociali, meritati riconoscimenti, dedizione, impegno, sacrificio e tanta,tanta passione per la conoscenza. Sono gli studenti, la generazione piu giovane che si sta formando perprendere in mano e affrontare le sfide del futuro, ad essere al centro della riflessione di Orazio Svelto:il suo suggerimento per loro e di “non lasciarsi mai fuorviare nella scelta della propria carriera da ar-gomentazioni di carattere venale o da pressioni familiari”, facendosi invece guidare dalla passione per“la ricerca, perche in essa e racchiuso il futuro non solo della nostra nazione, ma di tutta l’umanita”.

Alessio Cimarelli(Studente del Master in Comunicazione

della Scienza della SISSA di Trieste)

COPERTINA

IN BREVE

Titolo Il fascino sottile dellaser

Autore Orazio SveltoEditore Di Renzo

Anno 2007Pagine 96Prezzo 11.00 eISBN 9788883231780


La rivista e prodotta dal motore di composizione tipografi-ca LATEX. I sorgenti sono sviluppati e mantenuti da AlessioCimarelli e sono disponibili richiedendoli alla Redazione.

La rivista e disponibile on-line all’indirizzo http:

//www.inventati.org/accatagliato/

accastampato/n04/, navigabile sia da computerche da cellulare e scaricabile nei formati PDF ed ePUB.

Impaginazione ed editing: Alessio CimarelliCopertina e grafica: Silvia Mariani

Accastampato n. 4

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