La luce è un’onda, una particella o tutte e due?

 

Un celebre esperimento, chiamato della doppia fenditura, rivela la natura della luce (e di tutte le onde elettromagnetiche): ecco come.

 

 

Isaac Newton non aveva dubbi: la luce è costituita da flussi di corpuscoli, minuscole particelle che viaggiano a velocità elevatissime e, colpendo altri corpi e rimbalzando, generano tutti i fenomeni ottici che osserviamo.

D’altronde c’era da capirlo: il padre della gravitazione universale – e delle leggi della dinamica che portano il suo nome – aveva rivoluzionato la fisica proprio con il concetto di massa, quindi pensava che ogni fenomeno fisico potesse essere spiegato tramite interazione di corpi solidi, anche piccolissimi, ed estese di conseguenza questo paradigma anche alla natura della luce.

Però, all’epoca di questa audace formulazione, il fisico inglese non disponeva di mezzi per rilevare in modo univoco queste particelle, troppo piccole per essere viste con qualsiasi tipo di strumento.

Christiaan Huygens, più o meno nello stesso periodo, propendeva invece per la natura ondulatoria della radiazione elettromagnetica: la luce non è che un’onda che si propaga proprio come fa il suono.

Il dibattito tenne banco per più di un secolo, fino a quando gli esperimenti e la teoria di Maxwell diedero ragione all’astronomo olandese.

Celebre e risolutivo un esperimento, chiamato della doppia fenditura, eseguito nel 1801 da Thomas Young alla Royal Institution: facendo passare la luce generata da una sorgente monocromatica attraverso due tagli praticati su un foglio perpendicolare al fascio luminoso, molto vicini tra loro, su uno schermo posto dietro al foglio appare una figura di interferenza.

Significa che su questo schermo si formano una serie di linee alternate di chiaro e scuro, perché l’onda luminosa, passando per le fenditure, si sdoppia e quindi ci sono zone dello schermo dove le due onde così prodotte si sommano (quelle luminose) e altre dove si cancellano a vicenda (creando le bande buie).

Ma Planck prima ed Einstein dopo, all’alba del XX secolo, dimostrarono che la luce si comporta anche come se fosse formata da particelle, che oggi chiamiamo banalmente fotoni.

La natura duale della luce (e di tutte le particelle, che si comportano a volte come onde e a volte come singoli corpi puntiformi, come fu dimostrato tra gli anni ’20 e ’30 de secolo scorso) costituisce il fulcro della meccanica quantistica: è l’esperimento, o meglio la misura, che si effettua sulla grandezza osservabile che ne determina la natura particellare o ondulatoria, a seconda del tipo di test eseguito.

 

La rivisitazione dell’esperimento oggi

Un team guidato dai fisici dell’Imperial College di Londra ha eseguito l’esperimento di Young usando “fenditure” nel tempo invece che nello spazio.

I ricercatori hanno sparato luce attraverso un materiale che cambia le sue proprietà in femtosecondi (quadrilioni di secondo), consentendo alla luce di passare solo in momenti specifici in rapida successione.

Il ricercatore capo professor Riccardo Sapienza, del Dipartimento di Fisica dell’Imperial, ha dichiarato: “Il nostro esperimento rivela di più sulla natura fondamentale della luce e serve anche come trampolino di lancio per creare i materiali che possono controllare minuziosamente la luce sia nello spazio che nel tempo”.

I dettagli dell’esperimento sono pubblicati su Nature Physics.

La configurazione originale a doppia fenditura prevedeva di dirigere la luce su uno schermo opaco con due sottili fessure parallele. Dietro lo schermo c’era un rilevatore per la luce che vi passava attraverso.

Viaggiando attraverso le fessure come un’onda, la luce si divide in due onde che escono da ciascuna fenditura.

Quando queste onde arrivano dall’altra parte, “interferiscono” l’una con l’altra. Dove i picchi dell’onda si incontrano, si migliorano a vicenda, ma dove un picco e un minimo si incontrano, si annullano a vicenda. Questo crea un motivo a strisce sul rilevatore, con zone luminose e scure.

La luce può anche essere suddivisa in “particelle” chiamate fotoni, che possono essere registrate colpendo il rivelatore uno alla volta, costruendo gradualmente il modello di interferenza a strisce.

Anche quando i ricercatori hanno sparato solo un fotone alla volta, il modello di interferenza è  emerso di nuovo, come se il fotone si dividesse in due e viaggiasse attraverso entrambe le fenditure.

Nella versione classica dell’esperimento, la luce che emerge dalle fessure fisiche cambia direzione, quindi il modello di interferenza è determinato dal profilo angolare della luce.

Invece, le fessure temporali nel nuovo esperimento cambiano la frequenza della luce, che ne altera il colore. Ciò crea colori di luce che interferiscono l’uno con l’altro, migliorando e annullando determinati colori producendo un modello di interferenza.

Il materiale utilizzato dal team era una sottile pellicola di ossido di indio-stagno, che forma la maggior parte degli schermi dei telefoni cellulari, che varia la sua riflettività in pochi femtosecondi.

La pellicola è un metamateriale, progettato per avere proprietà che non si trovano in natura. Tale controllo fine della luce è una delle promesse dei metamateriali e, se accoppiato con il controllo spaziale, potrebbe creare nuove tecnologie e persino permettere di studiare fenomeni fisici fondamentali come i buchi neri.

Il co-autore, il professor Sir John Pendry, ha dichiarato: “L’esperimento delle doppie fenditure temporali apre la porta a una spettroscopia completamente nuova in grado di risolvere la struttura temporale di un impulso luminoso sulla scala di un periodo della radiazione”.

Il team vuole poi esplorare il fenomeno in un “cristallo temporale”, che è analogo a un cristallo atomico, ma dove le proprietà ottiche variano nel tempo.

Il co-autore professor Stefan Maier ha dichiarato: “Il concetto di cristalli temporali ha il potenziale per portare a interruttori ottici parallelizzati ultraveloci”.

 

 

Foto: Thomas Angus, Imperial College London