{"id":785,"date":"2019-12-16T16:25:35","date_gmt":"2019-12-16T16:25:35","guid":{"rendered":"http:\/\/www.semidiscienza.it\/?p=785"},"modified":"2019-12-16T16:25:35","modified_gmt":"2019-12-16T16:25:35","slug":"instabilita-di-luce-perche-sono-importanti","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.semidiscienza.it\/2019\/12\/16\/instabilita-di-luce-perche-sono-importanti\/","title":{"rendered":"Instabilit\u00e0 di luce: perch\u00e9 sono importanti"},"content":{"rendered":"\n

Siamo sovente abituati a considerare l\u2019instabilit\u00e0 come un fatto negativo: instabilit\u00e0 economica, instabilit\u00e0 mentale, instabilit\u00e0 geopolitica non ci fanno certo pensare ad una situazione desiderabile. Ancor meno l\u2019instabilit\u00e0 di opere d\u2019ingegneria, come per esempio una casa, un palazzo od un ponte, del programma di un computer o che dire di quella dell\u2019ala di un aereo? Consideriamo tali oggetti in grado di assolvere alla funzione per cui sono stati costruiti proprio in virt\u00f9 della loro robustezza e della loro stabilit\u00e0 rispetto ad influssi indesiderati e che si possono manifestare senza il nostro controllo. Speriamo ardentemente che perturbazioni esterne agenti sull\u2019oggetto vengano smorzate ed in qualche modo neutralizzate evitando che le sue funzionalit\u00e0 vengano pregiudicate o ancor peggio che il nostro ponte, la nostra casa o quant\u2019altro vadano in frantumi. Lo stesso si potrebbe pensare di una sorgente luminosa progettata per un utilizzo ben preciso, vorremmo in genere che l\u2019intensit\u00e0 della luce non fluttui significativamente nel tempo o non cambi drasticamente al minimo variare della temperatura, della tensione della corrente elettrica o di vibrazioni sonore dovute alle voci di persone o a rumori presenti nella stanza. Ci sembrerebbe quindi che in generale l\u2019instabilit\u00e0 di sistemi meccanici o anche di strutture sociali (ammesso che esse funzionino bene ed in maniera efficiente) possa essere una condizione non desiderabile. Le instabilit\u00e0 sono state, da ormai pi\u00f9 di un secolo, l\u2019oggetto dell\u2019interesse degli scienziati che le hanno studiate in molteplici situazioni: nei fluidi, nei plasmi, in sistemi meccanici di vario tipo, in sistemi biologici, chimici e ottici. Praticamente, ogni sistema esistente in natura \u00e8 soggetto a perturbazioni di vario genere causate dall\u2019ambiente circostante, e tali perturbazioni se si amplificano possono portare all\u2019instabilit\u00e0 dello stato originario del sistema in questione, causandone drammatici cambiamenti qualitativi. Lo studio delle instabilit\u00e0 \u00e8 di grande interesse e le instabilit\u00e0 sono ritenute essere la base di innumerevoli fenomeni importanti, come per esempio la formazione di onde anomale negli oceani giusto per citarne uno.<\/p>\n\n\n\n

Vorrei ora descriver brevemente alcune situazioni peculiari in cui il contesto laddove l\u2019instabilit\u00e0 si manifesta non \u00e8 da evitarsi, bens\u00ec da ricercarsi: situazioni in cui la stabilit\u00e0 \u00e8 sorprendentemente un impedimento allo sviluppo di funzionalit\u00e0 tecnologicamente utili. Lo far\u00f2 illustrando un paio di semplici esempi tratti dalla fisica dell\u2019ottica non lineare. Prima di iniziare \u00e8 bene fare una precisazione: mentre \u00e8 palese che l\u2019ottica sia la scienza che studia i fenomeni luminosi, il significato di \u201cnon lineare\u201d potrebbe essere ben pi\u00f9 oscuro ad un pubblico di non addetti ai lavori. L\u2019elucidazione di cosa significhi \u201cnon lineare\u201d in questo contesto richiederebbe sicuramente un approfondimento dedicato. Basti per ora dire che un mezzo materiale non lineare ha una risposta alla luce che vi propaga attraverso che \u00e8 proporzionale al quadrato, al cubo (o ad altre potenze superiori) dell\u2019ampiezza dell\u2019onda luminosa stessa.\u00a0 Un mezzo che si comporta in modo lineare ha invece una risposta semplicemente proporzionale all\u2019ampiezza stessa dell\u2019onda. La non linearit\u00e0 \u00e8 alla base dei processi di generazione di nuove frequenze luminose, del funzionamento dei laser e di altri affascinanti fenomeni. In genere tali effetti non lineari sono deboli e richiedono grande intensit\u00e0 della luce per manifestarsi, ma quando si manifestano aprono le porte a dinamiche nuove ed inaspettate.<\/p>\n\n\n\n

Ma, torniamo a noi. Il primo esempio \u00e8 il seguente: consideriamo un\u2019onda luminosa che si propaga lungo una fibra ottica. Una fibra ottica \u00e8 un tubicino fatto di un particolare vetro dal diametro inferiore al millimetro che guida la luce e la mantiene confinata, grazie al fenomeno della riflessione totale interna, per distanze di propagazione che possono andare da parecchie decine a parecchie centinaia di kilometri. Di fatto, una fitta rete di fibre ottiche interconnesse sulla terra e sotto gli oceani, costituisce lo scheletro dell\u2019intera infrastruttura di internet. Consideriamo per il momento, invece delle fibre lunghe molte decine di kilometri usate per le telecomunicazioni, una fibra lunga qualche decina di metri, e ad un capo della fibra iniettiamo un\u2019onda di luce di una singola frequenza, un singolo colore se vogliamo (anche se in genere la radiazione elettromagnetica usata \u00e8 nella parte del vicino infrarosso dello spettro). Se la fibra ha certe particolari propriet\u00e0 (in gergo tecnico si dice che la dispersione cromatica \u00e8 anomala, il che corrisponde a dire che onde di luce a frequenza pi\u00f9 alta viaggiano a velocit\u00e0 maggiore di quelle a frequenza pi\u00f9 bassa) e se la potenza dell\u2019onda iniettata \u00e8 sufficientemente elevata allora l\u2019onda luminosa che osserviamo all\u2019altro capo della fibra esibir\u00e0, a causa della non linearit\u00e0, propriet\u00e0 qualitativamente nuove e diverse da quelle che aveva all\u2019ingresso. L\u2019ampiezza dell\u2019onda all\u2019uscita dalla fibra non \u00e8 pi\u00f9 costante ma al contrario presenta delle notevoli variazioni che possono essere periodiche e regolari o anche alquanto irregolari ed erratiche a seconda delle condizioni in cui si svolge il processo. L\u2019onda originaria \u00e8 instabile, piccole perturbazioni, ondine che al capo iniziale della fibra avevano ampiezza irrilevante, sono cresciute notevolmente sottraendo energia dall\u2019onda principale fino a modificarne qualitativamente la forma. <\/p>\n\n\n\n

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Tale processo \u00e8 chiamato instabilit\u00e0 di modulazione<\/em>. Esso \u00e8 un fenomeno reso possibile dalla non linearit\u00e0 della risposta della fibra! Ora si potrebbe pensare che tale processo d\u2019instabilit\u00e0 sia dannoso per il funzionamento di un dispositivo in cui si vuole l\u2019onda di luce propagante rimanga invariata. Questa \u00e8 sicuramente un\u2019osservazione giustificata. Ma guardiamo la situazione da un\u2019altra prospettiva: se l\u2019onda primaria perde energia, le perturbazioni (onde oscillanti ad altre frequenze) la acquistano. Questa \u00e8 la risorsa che possiamo sfruttare! Un\u2019analisi matematica del problema ci permette di calcolare quanta energia guadagnano le piccole onde (il guadagno dell\u2019instabilit\u00e0), per lo meno nello stato iniziale della loro amplificazione, in funzione dei parametri che caratterizzano la fibra e l\u2019onda primaria.<\/p>\n\n\n\n

Ma, come possiamo rendere utile questo guadagno per le onde di piccola ampiezza? Se invece di lasciare che delle onde arbitrarie, iniziate da fluttuazioni quantistiche o da rumore ottico vengano amplificate nel processo di instabilit\u00e0, possiamo invece iniettare noi all\u2019ingresso della fibra oltre all\u2019onda primaria (anche detta onda di pompa), delle onde di frequenza diversa, la cui energia \u00e8 molto minore e che vogliamo amplificare. Un candidato ideale sono i segnali ottici che vengono usati per trasmettere informazione. Essi costituiranno il \u201cseme\u201d da cui si svilupper\u00e0 l\u2019instabilit\u00e0 dell\u2019onda primaria assorbendone parte dell\u2019energia, ed emergendo amplificate all\u2019uscita della fibra.<\/p>\n\n\n\n

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I segnali ottici usati nelle telecomunicazioni in fibra consistono infatti di vari \u201ccanali\u201d, ciascuno corrispondente ad una diversa frequenza, che propagano nelle fibre consentendo la trasmissione di informazione in parallelo. La crescente domanda di maggiore informazione da trasportare in fibra dovuta all\u2019incremento dell\u2019uso di internet nelle moderne societ\u00e0 interconnesse richiede la continua aggiunta di nuovi canali (nuove frequenze). Questo per\u00f2 va ad aumentare la banda totale occupata dai segnali: l\u2019aumento della banda \u00e8 pressoch\u00e9 inevitabile, in quanto al momento non \u00e8 possibile inviare segnali eccessivamente vicini in frequenza riducendo troppo lo spazio tra i canali. A causa delle perdite di energia che la luce subisce propagando lungo le fibre ottiche, si rende necessaria un\u2019amplificazione periodica dei segnali lungo la linea di trasmissione. Gli amplificatori in fibra ad Erbio attualmente in uso, la cui invenzione ha permesso l\u2019esistenza di internet per come lo conosciamo, possono amplificare segnali solo in una certa banda di frequenze. I ricercatori del settore lavorano alacremente per trovare soluzioni alternative. Una delle soluzioni pi\u00f9 promettenti si basa appunto sull\u2019instabilit\u00e0 di modulazione<\/em> appena descritta e, sebbene questa sia ancora in fase di sviluppo a livello di ricerca ed ancora lontana dall\u2019impiego tecnologico, ha gi\u00e0 dimostrato di poter provvedere all\u2019amplificazione di segnali ottici consentendo la trasmissione dell\u2019informazione per migliaia di kilometri. Tale nuovo tipo di amplificatore \u00e8 chiamato amplificatore parametrico in fibra ottica<\/em>. Quindi, a partire da un semplice fenomeno fisico che comporta l\u2019instabilit\u00e0 di un\u2019onda di luce si \u00e8 sviluppato un nuovo concetto tecnologico che potrebbe avere impatto rilevante nella societ\u00e0. Tanto \u00e8 vero che i ricercatori al lavoro in questo campo studiano ora le condizioni per ingegnerizzare l\u2019instabilit\u00e0 al fine di renderla il pi\u00f9 possibile performante per i loro scopi: ottenere un trasferimento di energia significativo e omogeneo in una vasta banda di frequenze. Il paradigma dell\u2019instabilit\u00e0 come effetto indesiderato \u00e8 cos\u00ec rovesciato. <\/p>\n\n\n\n

Passiamo ora al secondo esempio. Un altro caso particolarmente interessante dell\u2019instabilit\u00e0 di modulazione<\/em> \u00e8 quello in cui luce a singola frequenza viene iniettata in un microrisuonatore ottico, ovvero una cavit\u00e0 tipicamente a forma di anello fatta di silice oppure di un materiale semiconduttore in cui la luce \u00e8 ben confinata ed i fotoni possono circolare migliaia e migliaia di volte prima di fuoriuscire. La grande quantit\u00e0 di energia immagazzinata corrispondente ad un onda luminosa oscillante con una singola frequenza \u00e8 tale da creare le condizioni, a causa della risposta non lineare del materiale, per un\u2019instabilit\u00e0 dell\u2019onda luminosa stessa. Tale onda si destabilizza amplificando altre onde di aventi frequenze differenti (altri \u201ccolori\u201d) le quali inizialmente altro non erano che perturbazioni di ampiezza insignificante causate da fluttuazioni del vuoto quantisitico o da rumore ottico presente nel sistema. L\u2019onda originaria vede la sua ampiezza modulata da onde differenti, ma equispaziate in termine di frequenza, che vengono amplificate; ed ecco che molte delle risonanze ottiche della cavit\u00e0 vengono eccitate. La luce all\u2019interno della cavit\u00e0 da monocromatica \u00e8 diventata policromatica. \u00c8 importante menzionare il fatto che una cavit\u00e0 ottica supporta solamente oscillazioni che sono il multiplo intero di una frequenza fondamentale, e che quindi le onde luminose che possono risuonare nella cavit\u00e0 sono equispaziate in frequenza.<\/p>\n\n\n\n

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A causa del peculiare processo coinvolto in questa instabilit\u00e0 le onde di varie frequenze equispaziate oscillano in fase tra di loro (ovvero rispettando una certa sincronia): una luce con questo tipo di spettro di frequenza \u00e8 chiamato pettine di frequenza<\/em>. I pettini di frequenza<\/em> hanno notevoli applicazioni e vengono o potrebbero in un vicino futuro essere usati in molteplici contesti, tra cui la spettroscopia di precisione, la misurazione remota di gas serra, la ricerca di esopianeti (pianeti esterni al nostro sistema solare), come orologi ottici ben pi\u00f9 precisi degli esistenti orologi atomici ed altre ancora.<\/p>\n\n\n\n

Per concludere, diciamo quindi che non tutte le instabilit\u00e0 vengono per nuocere e che anzi, al di l\u00e0 del loro intrinseco fascino scientifico, esse possono costituire una preziosa e inaspettata risorsa a cui attingere per la realizzazione di nuovi dispositivi ottici con notevoli ricadute pratiche. Gli esempi che abbiamo discusso, mostrano anche come argomenti di ricerca apparentemente accademici il cui studio \u00e8 inizialmente perseguito per puro piacere o curiosit\u00e0 scientifica possano, per vie inaspettate, diventare materialmente utili per la societ\u00e0.<\/p>\n\n\n\n

Auro M. Perego, PhD, \u00e8\nricercatore presso l\u2019Aston Institute of Photonic Technologies, Aston\nUniversity, Birmingham, Regno Unito.<\/em><\/p>\n\n\n\n

Indirizzo email:<\/em> a.perego1@aston.ac.uk<\/a><\/p>\n\n\n\n

Sito internet:<\/em> www.nonlinearlight.com<\/a><\/p>\n\n\n\n

Twitter account:<\/em> @nonlinearlight<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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