31/01/2017
La propagazione della luce nei materiali disordinati è un argomento di grande interesse per la comunità scientifica poiché non solo può condurre ad applicazioni concrete nel campo della fotonica e delle energie rinnovabili, ma permette ancora di svelare nuovi affascinanti fenomeni legati alla fisica delle onde.
Lo studio condotto da un team di ricercatori del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Ipcf-Cnr Messina e Imm-Cnr di Catania), delle Università di Pavia, Catania, Firenze e Messina e del Laboratorio Europeo per le Spettroscopie Non Lineari (LENS), con competenze diverse che spaziano dall’ottica alla spettroscopia, dalla fotonica dei sistemi complessi alla scienza dei materiali, ha messo in luce un effetto fisico finora mai esplorato che dimostra la natura coerente della luce Raman. La ricerca, pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature Photonics, pone le basi per un nuovo campo di ricerca legato ai sistemi fotonici complessi, che sfruttano non solo la luce diffusa elasticamente, ma anche quella diffusa anelasticamente (Raman) e quindi a lunghezze d’onda (cioè a colori) differenti rispetto alla sorgente di eccitazione.
“Una fitta foresta di sottilissimi fili di silicio disposti in modo disordinato, nella quale la luce rimbalza innumerevoli volte in modo casuale prima di poter fuoriuscire, è il materiale che ci ha permesso di osservare su scala macroscopica un effetto di coerenza tra onde luminose che avviene nell’infinitamente piccolo, nello spazio di pochi nanometri e nel tempo di una manciata di picosecondi”, spiegano Barbara Fazio (Ipcf-Cnr), Matteo Galli (Dip.to di fisica dell'Università di Pavia), Francesco Priolo (Imm-Cnr e Università di Catania) e Diederik Wiersma (Lens, Università di Firenze), che hanno condotto le ricerche nelle rispettive istituzioni. Si tratta del fenomeno di interferenza noto come coherent backscattering, in precedenza osservato e studiato solo per luce diffusa elasticamente (scattering Rayleigh) ed ora dimostrato inaspettatamente anche per la diffusione anelastica (scattering Raman). Il coherent backscattering è un fenomeno onnipresente in natura (dalle polveri di materiali semiconduttori alle sospensioni di micro-particelle come il latte o la nebbia), nel quale la coerenza tra le onde luminose diffuse dal mezzo disordinato sopravvive a molteplici “urti” casuali per dar luogo infine ad un massimo di interferenza nella direzione esatta di backscattering, cioè di diffusione all’indietro verso la direzione di provenienza.
Il team di ricercatori ha dimostrato che, contrariamente a quanto ci si aspetterebbe, questa evidenza sperimentale sopravvive anche quando si è in presenza di “urti” anelastici, come lo scattering Raman spontaneo, purché si conservi l’informazione ottica contenuta nell’onda propagante. In uno di questi urti (Raman) la luce cambia natura e lunghezza d’onda (cioè cambia colore), mantenendo però la coerenza necessaria affinché le onde Raman diffuse dal mezzo interferiscano fra loro. Il fenomeno osservato, ovvero la comparsa di un massimo di interferenza nella direzione esatta di backscattering, mette perciò in evidenza l’intrinseca natura coerente dei singoli processi di scattering della luce Raman, che usualmente si manifestano sotto forma di una diffusione globalmente incoerente. Indizi sulla natura coerente dello scattering Raman erano stati finora osservati solo su scala nanoscopica, attraverso sofisticatissimi esperimenti effettuati in campo prossimo, o mediante tecniche risolte in tempo su scale ultraveloci. In questo caso i ricercatori non hanno avuto bisogno di ricorrere a tecniche ottiche particolarmente complesse, è bastato il connubio tra le peculiari proprietà strutturali di un nanomateriale cresciuto da Alessia Irrera (Ipcf-Cnr), basato su silicio -lo stesso materiale dei chip presenti nel nostro computer-, un’accurata procedura sperimentale, ma soprattutto un efficace brainstorming ed una sinergia tra i Gruppi di ricerca per svelare un nuovo ed inaspettato fenomeno nella diffusione delle onde luminose, che apre la strada verso nuove ed importanti scoperte.
Per informazioni:
Barbara Fazio
CNR - Istituto per i Processi Chimico-Fisici, sede di Messina
fazio@ipcf.cnr.it
090/39762246