74 femtosecondi: il tempo che serve alla luce per fare una svolta

Ragioniamo un attimo su questo numero: 74 femtosecondi.

È una cifra che fa girare la testa. Un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo. In 74 femtosecondi, la luce percorre una distanza pari allo spessore di un capello umano. Ebbene, un gruppo di ricercatori del Caltech ha costruito un dispositivo in grado di deviare un raggio di luce in quell'intervallo di tempo ridicolo.

Quando ho letto la notizia per la prima volta, non ci credevo. Ho riletto l'articolo tre volte.

Il problema con la luce

La luce è testarda. Nel modo tradizionale di manipolarla, si interviene sugli elettroni di un materiale: li si spinge verso stati energetici superiori, poi si aspetta che tornino alla normalità. Quel momento di attesa crea un collo di bottiglia. Ed è proprio per questo che la tecnologia attuale si ferma a scale temporali di nanosecondi o picosecondi.

Pensatela così: è come voler cambiare corsia in autostrada convincendo le singole macchine a fermarsi, aspettare, e poi riaccodarsi. Funziona, ma è lento.

Lasciarla parlare con se stessa

Il team di Harry Atwater ha fatto qualcosa di diverso. invece di usare segnali elettrici, hanno usato un raggio di luce per pilotare un altro raggio.

Il principio si chiama effetto Kerr ottico. Quando un fascio intenso attraversa certi materiali, modifica temporaneamente l'indice di rifrazione — ovvero il modo in cui quel materiale interagisce con la luce. Il tutto avviene così in fretta perché gli elettroni non saltano a nuovi livelli energetici: vengono solo leggermente "scombussolati" nelle loro orbite attuali.

Peccato che, da solo, l'effetto Kerr sia debolissimo. Una piccola alterazione non basta per redirigere un fascio di luce in modo significativo.

I pilastri che intrappolano la luce

Ed ecco l'idea intelligente.

I ricercatori hanno creato una cosiddetta metasuperficie: un sottile strato di silicio amorfo ricoperto da microscopici pilastri, ognuno più piccolo della lunghezza d'onda della luce utilizzata.

Questi pilastrini funzionano come trappole ottiche. Intrappolano la luce qualche istante in più del previsto, dando all'effetto Kerr il tempo di fare il suo lavoro. Quel prolungamento amplifica la variazione dell'indice di rifrazione fino a permettere una deviazione del raggio fino a 13 gradi.

Tutto questo in soli 74 femtosecondi — un limite dettato non dal materiale, ma dalla durata degli impulsi laser usati negli esperimenti.

Perché è importante

Provate a immaginare le conseguenze. Un computer basato su questa tecnologia potrebbe elaborare segnali ottici milioni di volte più velocemente di quanto sia possibile oggi.

Le applicazioni? Telecoms, sistemi LiDAR per veicoli a guida autonoma, sensori in grado di rilevare singole molecole per diagnosi mediche. Roba che cambia le regole del gioco.

Ma c'è di più. I ricercatori precisano che quel limite di 74 femtosecondi non è una barriera fisica della tecnologia — è solo un limite del loro laser. Con impulsi migliori, si può andare ancora più veloci. Si apre la porta a concetti che sembrano fantascienza: cristalli temporali e materiali ottici con proprietà che variano nel tempo.

Il quadro più ampio

Questa ricerca segna un passaggio concettuale importante: non pensiamo più alla luce come qualcosa da controllare attraverso l'elettronica, ma come qualcosa da gestire con la luce stessa.

Non vedremo computer del genere sugli scaffali il prossimo anno. Ma stiamo assistendo a uno di quei progressi che ridefiniscono i confini del possibile, un femtosecondo alla volta.

Io trovo tutto questo insieme umiliante ed elettrizzante. Non so voi.