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La coerenza della luce Raman emerge dal disordine

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