La comprensione e lo studio dei processi fondamentali che hanno luogo nell’atmosfera terrestre sono legati a doppio filo con lo sviluppo degli strumenti per il sondaggio delle grandezze fisiche che li caratterizzano: concentrazione dei vari costituenti, densità, velocità e direzione dei venti, ecc. Alcuni di questi strumenti, chiamati di telerilevamento attivo, sono basati sullo studio della risposta del sistema fisico a un’emissione di onde elettromagnetiche o acustiche. In questo campo uno degli strumenti più utilizzati e con una consolidata storia alle spalle è il LiDAR, Light Detection And Ranging, uno strumento di monitoraggio a sorgente laser.

L’idea di analizzare la luce retrodiffusa dalle particelle alle diverse quote per misurare il profilo di densità dell’alta atmosfera precede addirittura l’invenzione del laser1. Infatti dagli studi di Rayleigh (1842–1919) e Mie (1869–1957) sull’interazione tra luce e materia era chiaro che, attraverso lo studio della luce retrodiffusa dai diversi strati dell’atmosfera, sarebbe stato possibile dedurre la composizione della stessa con la conoscenza dei coefficienti di assorbimento e diffusione dei diversi costituenti.

Dal laser al LiDAR

Parallelamente all’invenzione del laser nel 1960 iniziarono i primi sviluppi della moderna tecnologia LiDAR. Storicamente il primo a utilizzare il laser per il telerilevamento attivo in atmosfera è stato Giorgio Fiocco2 [3], docente di Fisica Terrestre all’Università Sapienza di Roma e membro del G24, il gruppo di ricerca che usa quotidianamente sistemi LiDAR montati al quinto piano del Nuovo Edificio di Fisica (cfr. Figura 1) per lo studio di diversi parametri atmosferici [4].

La storia degli sviluppi delle tecniche LiDAR si muove parallelamente agli sviluppi tecnologici dei laser e dell’elettronica moderna, verso prestazioni sempre più alte nella risoluzione spaziale e temporale delle misure per il sondaggio atmosferico e non solo. Nel tempo sono stati costruiti, a seconda delle esigenze di ricerca, diversi modelli di LiDAR atti allo studio di vari processi, da quelli turbolenti della bassa atmosfera a quelli legati a bassissime concentrazioni di gas o alla distribuzione degli aerosol, particelle micrometriche o nanometriche che svolgono un ruolo importante nei processi radiativi in atmosfera. Questi ultimi possono avere origine naturale o antropogenica e il problema della loro incidenza diretta e indiretta sul cambiamento climatico globale è una questione aperta e molto studiata. Si può vedere ad esempio il report dell’IPCC del 2007 su questo problema, mentre sui possibili effetti indiretti si veda anche [5].

È impossibile in questa breve nota dar conto dei numerosi sviluppi nella ricerca legata al LiDAR [6], pertanto tenteremo di fornire un’idea del principio di funzionamento di questo strumento descrivendone una tipologia particolare, che sfrutta i processi di retrodiffusione elastica in atmosfera.

Uno sguardo dentro il LiDAR

Focalizziamo la nostra attenzione sull’apparato rappresentato schematicamente in Figura 2. Il sistema è composto da una sorgente laser che emette verticalmente radiazione di una certa lunghezza d’onda (nel caso della Figura 1 a circa 532 nm, corrispondente al verde) e da un ricevitore che, attraverso un opportuno sistema ottico, raccoglie la luce retrodiffusa da ogni strato di spessore Δz del mezzo sovrastante e la incanala verso un rilevatore di radiazione.

Il fotomoltiplicatore è un rilevatore di radiazione che converte il segnale luminoso in una corrente di elettroni e quindi in un segnale analogico. I fotoni colpiscono una superficie fotosensibile chiamata fotocatodo, da cui vengono emessi per effetto fotoelettrico degli elettroni, che vengono poi accelerati con una serie di elettrodi (chiamati dinodi) disposti all’interno di un tubo da vuoto. Gli stessi elettroni, colpendo i dinodi, stimolano l’emissione di altri elettroni, da cui una moltiplicazione a cascata che arriva all’altra estremità del tubo chiamata fotoanodo. Il segnale viene infine elaborato e analizzato tramite un computer. Questa schematizzazione semplificata descrive una particolare configurazione, detta monostatica, dell’apparato LiDAR, utilizzata spesso per lo studio dei processi di retrodiffusione (backscattering) elastica della radiazione3.

Ma cosa possiamo imparare dallo studio del segnale registrato? Per capirlo è necessario riflettere sui processi di interazione nell’atmosfera tra la radiazione e la materia presente alle diverse quote. Nella configurazione appena descritta la sorgente luminosa è quasi monocromatica, cioè a lunghezza d’onda fissata, ad esempio nel visibile, e proveniente da un laser impulsato. Le caratteristiche della sorgente laser sono fondamentali nel determinare la risoluzione spaziale e temporale della misura: la durata degli impulsi permette di determinare la quota alla quale la radiazione raccolta a un certo istante è stata diffusa. La luce emessa dal laser interagisce con le particelle presenti nei vari strati dell’atmosfera e in generale può essere assorbita o diffusa in modo diverso al variare dalle caratteristiche fisiche e geometriche delle particelle, che possono essere molecole o aerosol. Il segnale registrato è il risultato di una serie di interazioni della luce con la materia, descritte da una legge di estinzione4.

Aerosol in atmosfera

Lo studio del ruolo degli aerosol atmosferici è molto importante nella ricerca attuale in fisica dell’atmosfera, specialmente per la comprensione dei processi di trasferimento radiativo. A differenza delle proprietà ottiche delle molecole, descritte in modo completo dalla teoria di Mie, l’indagine sulle proprietà ottiche dei diversi tipi di aerosol presenti in atmosfera e sull’effetto della loro presenza è un argomento tuttora molto studiato e il LiDAR è uno degli strumenti più utilizzati a questo scopo.

Per chiarire questo punto è sufficiente guardare la Figura 3, in cui si presenta il rapporto di retrodiffusione5 giornaliero alle diverse quote, in un sondaggio effettuato alla Sapienza il 19 luglio 2010. Questo grafico mostra l’effetto della presenza degli aerosol alle diverse quote e al variare delle ore rispetto alla diffusione che si avrebbe in un’atmosfera puramente molecolare. Tramite sondaggi di questo tipo è possibile indagare la distribuzione degli aerosol al variare della quota.

Oltre l’atmosfera

Fin qui abbiamo accennato ad alcune applicazioni del LiDAR nella fisica dell’atmosfera, riguardanti lo studio dei processi di trasferimento radiativo e degli aerosol e il sondaggio delle grandezze fisiche e meccaniche (densità, temperatura, velocità e direzione del vento). Ma il LiDAR è uno strumento ormai utilizzato in un gran numero di applicazioni, dal monitoraggio ambientale all’oceanografia. In particolare sono diversi gli utilizzi dei sistemi LiDAR montati sugli aerei, detti Airborne Lidar, che consentono di fare sondaggi atmosferici da quota, ma anche di effettuare misure sulla profondità dei fondali marini [7]. Da questo punto di vista il LiDAR ha anche diverse applicazioni nella gestione delle regioni costiere, consentendo di avere un quadro estremamente preciso della geomorfologia dei bacini dei fiumi e dei bacini marini anche nelle zone meno profonde.

Similmente il LiDAR consente di effettuare una fotografia della topografia terrestre anche in zone boscose. Questa potenzialità è stata recentemente esplorata per lo studio delle faglie attive in regioni a rischio sismico in cui la copertura boscosa non consentirebbe di identificarle in altri modi [8]. Esiste infatti un algoritmo che consente di disboscare virtualmente la regione interessata e di studiare in modo diretto la topografia della superficie. L’individuazione con questo metodo delle faglie attive può avere un ruolo importante per l’identificazione delle zone a maggiore rischio sismico su un territorio.

Una menzione particolare va poi data al progetto della NASA, realizzato nel 1994, basato sul montaggio della tecnologia LiDAR a bordo di una stazione spaziale. Il progetto Lidar In-space Technology Experiment (LITE) ha portato a diversi studi sull’atmosfera terrestre, dai processi radiativi, allo studio dell’effetto degli aerosol sull’albedo, all’evoluzione dello strato limite planetario (PBL) [9].

Si può insomma ben dire che il LiDAR sia uno di quegli strumenti che ci stanno aiutando, non solo metaforicamente, a portare un po’ di luce nella nostra comprensione della natura.

Una particella carica in moto su un’orbita curvilinea emette spontaneamente radiazione elettromagnetica detta luce di sincrotrone [1]. La prima osservazione diretta di questo fenomeno fu effettuata nel 1947 osservando l’intensa luce uscente da una finestra installata su un piccolo acceleratore circolare di particelle, un sincrotrone appunto, ed è stata considerata per molto tempo un effetto di disturbo per la dinamica delle particelle accelerate, che perdono parte della loro energia proprio sotto forma di energia irraggiata. Uno studio più accurato del fenomeno [2] rivelò che la luce di sincrotrone è la sovrapposizione di un ampio spettro di radiazioni con lunghezze d’onda che si estendono dal lontano infrarosso fino ai raggi X e che può essere utilizzata come potente sorgente di radiazione per effettuare indagini sulla natura microscopica dei materiali, delle cellule, delle proteine e per ottenere immagini ad altissima risoluzione di tessuti biologici.

Dalla luce di sincrotrone al laser

Il Laser ad Elettroni Liberi [3], spesso chiamato FEL dall’acronimo inglese Free Electron Laser, è una sorgente di luce di sincrotrone in grado di produrre radiazione elettromagnetica monocromatica anche a lunghezza d’onda inferiore a un milionesimo di millimetro (raggi X). Questo dispositivo consiste essenzialmente in un lungo magnete, detto ondulatore e visibile in Figura 1, caratterizzato da un campo magnetico sinusoidale prodotto da una serie di piccoli dipoli magnetici con polarità alternata, in cui viene iniettato un fascio di elettroni di alta densità di carica prodotto da un acceleratore lineare (Linac). All’interno di questa struttura magnetica gli elettroni emettono radiazione di lunghezza d’onda λr, detta di risonanza, direttamente proporzionale al periodo del campo magnetico dell’ondulatore λu e inversamente proporzionale al quadrato dell’energia degli elettroni γ2: λr ~ λu / γ2 [4].

In una prima fase, detta di letargia, l’interazione tra il fascio di elettroni e la radiazione emessa dal fascio stesso mentre viaggia all’interno dell’ondulatore produce una ridistribuzione spaziale degli elettroni in tanti piccoli pacchetti, distanziati esattamente una lunghezza d’onda di risonanza, come mostrato in Figura 2.

In questo modo miliardi di elettroni si auto-organizzano per partecipare all’emissione di radiazione in fase tra loro (coerenza) e alla stessa lunghezza d’onda (monocromaticità) con una crescita esponenziale della potenza emessa. Il processo si arresta quando gli elettroni hanno convertito in energia elettromagnetica una frazione tale della loro energia cinetica iniziale (~5%) da non soddisfare più la condizione di risonanza: si è nella fase di saturazione. Inoltre, poiché la lunghezza d’onda emessa dipende dall’energia degli elettroni, è possibile modificare la lunghezza d’onda cambiando l’energia del fascio iniettato nell’ondulatore, cosa impossibile con i laser convenzionali.

Il FEL consentirà di aumentare di parecchi ordini di grandezza la potenza di picco (flusso di fotoni) rispetto alle migliori sorgenti attuali di luce di sincrotrone, con notevoli vantaggi per la ricerca e per la tecnologia industriale. Si potranno utilizzare ad esempio tecniche innovative basate sulla formazione d’immagini a raggi X, sia nella scienza dei materiali (nanotecnologie) che in biologia o medicina, aprendo nuove prospettive nella microscopia a raggi X e rendendo possibili nuove metodologie nel campo della cristallografia delle proteine.

Il progetto SPARC

Nato da una collaborazione tra l’INFN, l’ENEA e il CNR, il primo FEL italiano in grado di produrre radiazione monocromatica a 500 nm (nella regione dello spettro corrispondente al verde) è entrato in funzione nel Gennaio 2009 a Frascati.

Lo schema di Figura 3 illustra le componenti principali di SPARC. Un fascio di elettroni viene generato per effetto fotoelettrico da un catodo in rame posto all’interno di una struttura accelerante (Gun) che cattura il fascio e lo accelera fino all’energia di 5 MeV. Il fascio viene ulteriormente accelerato fino all’energia di 150 MeV da tre strutture acceleranti e trasportato fino all’ingresso dell’ondulatore, composto da sei moduli di circa due metri di lunghezza ciascuno con un campo magnetico massimo di circa 1 T e periodo di 2.8 cm. Per cambiare l’energia del fascio e di conseguenza il colore della radiazione emessa è sufficiente variare il campo accelerante nel Linac. Un’immagine recente del Linac di SPARC è riportata in Figura 4

SPARC è un esperimento pilota in cui vengono studiati nuovi schemi di generazione di fasci di elettroni e soluzioni innovative per migliorare la qualità e la durata temporale della radiazione emessa, in vista di possibili sviluppi nell’area romana di macchine di maggiore energia (1-2 GeV) in grado di generare radiazione X. La produzione di impulsi di radiazione ultra-corti, della durata inferiore a decine di femtosecondi, aprirebbe nuove prospettive per lo studio di fenomeni veloci caratteristici delle reazioni chimiche di interesse biologico, quali ad esempio le reazioni fotosintetiche.

Il panorama internazionale e il futuro

I notevoli risultati ottenuti nell’ultimo decennio con gli esperimenti pilota negli Stati Uniti (UCLA, VISA e LEUTL), dove la fisica del FEL è stata studiata in dettaglio fino al regime di saturazione, e la prima macchina aperta anche agli utenti, FLASH a DESY (Amburgo), in grado di offrire radiazione coerente fino a 5 nm, hanno stimolato il proliferare di nuovi progetti in tutto il mondo, come illustrato nella Figura 5.

La frontiera dei raggi X (1 A) è stata raggiunta nel 2009 con il progetto LCLS a SLAC (Stanford) con un fascio di elettroni da 15 GeV, offrendo un nuovo strumento rivoluzionario a una vasta comunità scientifica.

In Italia oltre al progetto dimostrativo SPARC sta per entrare in funzione un altro FEL a Trieste in grado di offrire radiazione di lunghezza d’onda fino a 10 nm. La comunità scientifica si sta ora organizzando per un ulteriore passo significativo: la realizzazione di un FEL a raggi X ultracompatto. La via maestra a questo scopo sembra passare attraverso lo sviluppo di acceleratori di particelle a plasma [5], in grado di produrre campi acceleranti fino al TV/m, riducendo così le dimensioni di un FEL a raggi X da alcuni chilometri a pochi centimetri.

L’uso delle leggi della meccanica quantistica per l’immagazzinamento, la manipolazione e la trasmissione dell’informazione potrebbe portare a un notevole avanzamento nella risoluzione di vari problemi, altrimenti impossibili da affrontare con la tecnologia attuale. In questo contesto l’ottica quantistica rappresenta un ottimo approccio sperimentale per la verifica di diversi concetti introdotti nell’ambito dell’informazione quantistica, in quanto i fotoni sono praticamente immuni alla decoerenza e possono essere trasmessi con grande facilità su grandi distanze, sia nello spazio libero che in fibra ottica.

Diverse sono le applicazioni di queste metodologie nel campo della comunicazione e della computazione: il teletrasporto, la crittografia quantistica [1], la simulazione quantistica di fenomeni fisici, la computazione quantistica [2].

Informazione quantistica

Il campo dell’Informazione Quantistica (d’ora in poi IQ) nasce come unione fra la teoria dell’Informazione e la Meccanica Quantistica. Le sue origini possono essere ricondotte a una proposta di Richard Feynman che risale alla prima metà degli anni Ottanta del secolo scorso. Secondo Feynman il computer quantistico, ovvero un dispositivo nel quale le basi degli algoritmi della teoria dell’informazione vengono riformulate nel contesto matematico della meccanica quantistica, diventerebbe uno strumento necessario per simulare e analizzare correttamente i processi naturali quantistici. L’IQ, in virtù delle sue caratteristiche predittive e della sua intrinseca natura interdisciplinare, ha richiamato l’attenzione di diverse aree sia della fisica teorica e sperimentale, come ad esempio la fisica atomica, l’ottica quantistica, la fisica dei laser, la materia condensata, ecc., sia di altre discipline, come la computer science, la complessità matematica, le scienze dei materiali, le discipline ingegneristiche [3].

Negli ultimi due decenni l’IQ ha compiuto enormi progressi, sia da un punto di vista teorico che sperimentale, e ci si aspetta che possa dare un contributo a diverse aree scientifiche e tecnologiche nel prossimo futuro [4]. Nell’ambito dell’IQ, se da un lato la computazione quantistica è volta a fornire le basi per ottenere capacità computazionali che vadano oltre le possibilità dei computer classici, dall’altro la crittografia quantistica mira a garantire, almeno in via di principio, la capacità di effettuare comunicazioni assolutamente sicure.

L’ottica quantistica è un eccellente banco di prova sperimentale per i concetti dell’informazione quantistica

Da un punto di vista più fondamentale, uno degli scopi principali dell’IQ è approfondire e comprendere gli aspetti sottili della meccanica quantistica al fine di formulare, manipolare, processare e comunicare l’informazione nel modo più efficiente possibile utilizzando sistemi fisici basati sui suoi principi. Questo obiettivo richiede necessariamente un’interfaccia priva di fenomeni di decoerenza tra il mondo microscopico delle singole particelle quantistiche (fotoni, atomi, ecc.) e i sistemi di misura macroscopici che rendono l’informazione accessibile all’uomo.

Un groviglio di qubit

L’IQ si basa sul concetto di quantum bit o qubit, ovvero un sistema quantistico bidimensionale che in generale non possiede i valori definiti di un bit classico $0$ e $1$, ma che si trova in quello che viene chiamato uno stato di sovrapposizione coerente dei due stati di base |0- e |1-. Questo stato presenta proprietà non usuali, in particolare quando si realizza in sistemi composti. Infatti la caratteristica peculiare che identifica la meccanica quantistica è la possibilità di rendere entangled1 qubit differenti. Riconosciuto per primo da Erwin Schrodinger come “il tratto caratteristico della meccanica quantistica”, l’entanglement rappresenta la risorsa chiave per la manipolazione e l’analisi dell’informazione quantistica. Essa deriva dalle correlazioni non-locali tra le diverse parti di un sistema quantistico e racchiude i tre elementi strutturali di base della teoria quantistica, ossia il principio di sovrapposizione, la non-separabilità e la possibilità di accrescere in modo esponenziale lo spazio degli stati con il numero delle sue partizioni. L’entanglement non ha nessun analogo classico. Questa risorsa, associata alle correlazioni non-classiche tra sistemi quantistici separati, può essere sfruttata per scopi crittografici e computazionali che sono impossibili da perseguire con sistemi puramente classici. Uno stato entangled condiviso da due o più partecipanti distinti è una importante risorsa per protocolli di comunicazione quantistica, come ad esempio la crittografia e il teletrasporto.

Ottica Quantistica

Negli ultimi anni, l’Ottica Quantistica (d’ora in poi OQ) si è rivelata un eccellente banco di prova per realizzare sperimentalmente i concetti introdotti nel contesto dell’IQ: gli stati fotonici possono essere facilmente e accuratamente manipolati usando dispositivi ottici lineari e non lineari e possono essere efficientemente misurati per mezzo di rilevatori a singolo fotone [6,7].

Il qubit può essere fisicamente realizzato considerando gli stati di polarizzazione di un singolo fotone come stati di base. Da un punto di vista pratico, singoli fotoni o coppie di fotoni sono portatori ideali di informazione per la comunicazione quantistica potendo essere distribuiti su lunghe distanze nello spazio libero o mediante fibre ottiche con basse perdite.

Il processo ottico non lineare chiamato spontaneous parametric down conversion (SPDC) costituisce un approccio molto efficace per generare coppie di fotoni entangled. Esso consiste in un effetto attraverso il quale è possibile generare in modo probabilistico coppie di fotoni dall’eccitazione di un cristallo da parte di un fascio laser. Lo stato quantistico di questa coppia di fotoni è uno stato entangled nei gradi di libertà della frequenza e del momento del fotone, ma a seconda dell’interazione non lineare i fotoni possono essere entangled anche in polarizzazione.

Coppie di fotoni entangled hanno costituito lo strumento centrale per diversi esperimenti fondamentali e applicazioni. Una spettacolare e paradigmatica applicazione dell’entanglement è rappresentata dal teletrasporto di uno stato quantistico (QST), proposta dal gruppo di Bennett in [8] e realizzata per la prima volta nel 1997 in due esperimenti differenti a Roma e a Innsbruck [9,10]. Attualmente la crescente proliferazione di applicazioni dell’entanglement quantistico, dalla crittografia quantistica [11] ai campi della metrologia e della litografia quantistica, richiamano la necessità di tecniche innovative che siano anche flessibili e affidabili per generare stati entangled di dimensioni crescenti e per realizzare protocolli ancora più avanzati. Allo stesso tempo l’abilità di generare e manipolare sistemi quantistici di complessità crescente richiede lo sviluppo di tecniche e strumenti finalizzati alla caratterizzazione sia delle sorgenti che dei processi fisici adottati. Un notevole sviluppo è rappresentato dall’implementazione della tecnica di tomografia degli stati quantistici di sistemi a molti qubit e dei processi quantistici a uno e due qubit.

Un approccio fotonico che può essere adottato per elaborare la IQ si basa esclusivamente su componenti ottici lineari come beam-splitter2, beam-splitter polarizzatori e rilevatori di singoli fotoni. In un lavoro fondamentale E. Knill, R. Laflamme e G. J. Milburn hanno mostrato che è possibile realizzare un computer quantistico scalabile con sorgenti e rilevatori di singoli fotoni e con l’uso dell’ottica lineare [6]. Questo lavoro ha rivelato tutta la potenza dell’ottica lineare stimolando una grande quantità di ricerche teoriche e sperimentali che hanno conseguito notevoli risultati tra cui varie realizzazioni sperimentali di una porta logica a due qubit, la cosiddetta Gate Control-NOT (C-NOT) [7].

La sfida tecnologia delle guide d’onda

La possibiltà di manipolare l’informazione quantistica attraverso i fotoni rappresenta una grande sfida tecnologica poiché richiede la capacità di controllare ciascun sistema quantistico con elevata precisione. Lo sviluppo continuo di sistemi ottici di crescente complessità formati da vari interferometri3, elementi base della tecnologia ottica, richiede l’uso di sistemi miniaturizzati integrati in guida d’onda. Il vantaggio di lavorare con le guide risiede essenzialmente nella loro elevata stabilità di fase e nelle loro ridotte dimensioni, confrontate con quelle di interferometri tradizionali costruiti su sistemi costituiti da specchi e beam-splitter convenzionali.

È stata di recente dimostrata la possibilità di utilizzare guide d’onda in silicio per applicazioni quantistiche [12,13,14]. Tali guide sono infatti state usate per creare un interferometro di alta stabilità e precisione, che realizza una porta logica a due qubit in grado di generare l’entanglement. Più precisamente tali circuiti sono stati utilizzati per realizzare la prima porta logica C-NOT integrata con caratteristiche del tutto confrontabili con il valore teorico aspettato [14].

Più recentemente è stata anche dimostrata la possibilità di utilizzare guide d’onda scritte su vetro attraverso l’uso di laser a femtosecondi di elevata intensità, per la realizzazione di alcuni esperimenti di interferometria quantistica. In particolare il gruppo di Ottica Quantistica del Dipartimento di Fisica dell’Università Sapienza di Roma, in collaborazione con l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR e il Politecnico di Milano, ha realizzato un dispositivo integrato che preserva il grado di polarizzazione dei fotoni guidati [15]. Queste peculiarità permetteranno in futuro il suo possibile utilizzo in protocolli di informazione quantistica, come la crittografia e la computazione quantistica.

Gli acceleratori di particelle rappresentano da anni lo strumento di indagine più potente della fisica nucleare e subnucleare. Questo ramo della fisica si occupa dello studio dei costituenti primi della materia, le cosiddette particelle elementari, come ad esempio gli elettroni e i quark che compongono i protoni, e delle leggi che governano le loro interazioni. A partire dalla comprensione di queste leggi possiamo scoprire come la materia che si è generata al momento del Big Bang ha interagito fino a formare l’Universo a noi conosciuto.

Il compito degli acceleratori è quello di creare fasci di particelle di altissima energia cinetica. Facendoli collidere tra loro si possono efficacemente indagare le proprietà della materia: maggiore è l’energia dei fasci, più dettagliate sono le informazioni che si possono ricavare. L’attuale limite al raggiungimento di energie sempre più elevate è dato dal fatto che le tecnologie fino ad oggi utilizzate impongono agli acceleratori enormi costi e dimensioni.

Recentemente è però in studio una nuova tecnica che accelera particelle cariche utilizzando i campi elettrici che si generano all’interno di plasmi eccitati da impulsi laser. Si tratta di campi elettrici elevatissimi, fino a dieci volte maggiori di quelli realizzabili negli acceleratori tradizionali. Questo metodo, una volta perfezionato, permetterà di accelerare particelle a energie elevatissime in spazi molto piccoli.

Gli acceleratori di oggi

Per accelerare le particelle cariche si utilizzano i campi elettrici, ma vi è una soglia di surriscaldamento e rottura dei materiali che ne limita la massima intensità raggiungibile ad alcune decine di MV/m, milioni di volt per metro. Per raggiungere energie elevate occorre quindi che l’azione del campo elettrico sia prolungata nel tempo e per questo sono necessari acceleratori molto lunghi. Il motivo per cui spesso se ne costruiscono di forma circolare è la possibilità di far girare le particelle al loro interno più e più volte. Per curvare la traiettoria delle particelle si sfrutta la forza di Lorentz fornita da campi magnetici, ma anche in questo caso, poiché vi è un limite alla massima intensità di questi ultimi, la circonferenza degli acceleratori deve essere molto grande.

L’acceleratore di particelle più potente mai costruito è l’LHC che si trova ai laboratori del CERN di Ginevra (cfr. Figura 1). Si tratta dell’acceleratore più grande del mondo: ha una circonferenza di 27 km e utilizza campi magnetici maggiori di 8 T (Tesla), realizzati con magneti superconduttori. Sviluppare un acceleratore più potente dello stesso tipo di LHC avrebbe costi e dimensioni difficilmente sostenibili. L’unico modo per superarne i limiti sarebbe quello di pensare a una tecnica in grado di realizzare campi elettrici molto più elevati in spazi molto più piccoli.

Campi elettrici nei plasmi

All’interno di un plasma si possono creare campi elettrici elevatissimi poiché non c’è pericolo di rottura, essendo un gas ionizzato (cfr. Box 1). Si può trattare anche di campi elettrici dell’ordine di centinaia di GV/m (miliardi di volt per metro), ossia cento volte maggiori di quelli presenti nelle più tecnologiche cavità degli attuali acceleratori. Per generare simili campi è necessario però perturbare il plasma in modo intenso e mirato e questo viene fatto utilizzando degli impulsi laser opportuni.

Il moto delle particelle cariche che compongono un plasma non è governato dalle collisioni, che trasmettono le forze applicate al sistema solo localmente, ma dai campi elettrici e magnetici generati da concentrazioni delle cariche stesse, che sono forze che agiscono a lunga distanza. Questo significa che introducendo nel plasma una perturbazione localizzata (come può esserlo il passaggio di un impulso laser), tutte le particelle di cui è composto rispondono istantaneamente.

Nella condizione di equilibrio, ossia di plasma imperturbato, elettroni negativi e ioni positivi sono disposti in modo da mantenere, globalmente, la neutralità. Se il plasma viene perturbato dal passaggio di un impulso laser, gli elettroni, più leggeri degli ioni, si allontanano dalla loro posizione di equilibrio e a questo spostamento segue la formazione di campi elettrici di richiamo che tendono a riportarli nella posizione di partenza. Tuttavia a causa dell’inerzia, una volta messi in moto, gli elettroni che ritornano verso la posizione di equilibrio la superano, dando così il via a delle oscillazioni attorno ad essa come se si trovassero al capo di una molla. Queste oscillazioni avvengono a una frequenza caratteristica che dipende dalla densità elettronica e che si chiama frequenza di plasma. È il campo elettrico generato dagli elettroni che oscillano all’interno di questa cosiddetta onda di plasma a essere sfruttato per accelerare particelle.

Questo campo risponde a due requisiti fondamentali per l’accelerazione di particelle a energie elevate: è un campo elettrico longitudinale, cioè nella stessa direzione di propagazione dell’onda, ed è caratterizzato da una velocità di fase, quella cioè con cui oscilla, che può avvicinarsi quanto si vuole alla velocità della luce.

Quello che succede quando un impulso laser attraversa il plasma, eccitando delle oscillazioni elettroniche al suo passaggio, è lo stesso fenomeno che si verifica quando una barca, attraversando il mare piatto, genera dietro di sé delle onde di scia, con l’unica differenza che nel plasma, che è un mezzo risonante, queste onde hanno una frequenza caratteristica dipendente dal mezzo. È per questo che si parla di accelerazione sul campo di scia del laser.

Per essere accelerata da questo campo elettrico una particella deve trovarsi sulla cresta dell’onda, in fase con essa e deve avere una velocità opportuna. Allo stesso modo con cui un surfista deve acquisire una velocità iniziale per prendere l’onda dell’oceano. L’idea di eccitare onde di plasma longitudinali utilizzando fasci laser focalizzati per accelerare elettroni è venuta nel 1979 a Tajima e Dawson, due fisici californiani (surfisti?). I primi risultati sperimentali sono stati raggiunti solo recentemente, poiché questa tecnica è strettamente legata alla tecnologia dei laser. Per eccitare onde di plasma di grande ampiezza occorre avere un impulso laser super intenso e ultra corto, caratterizzato da una lunghezza d’onda pari a metà della lunghezza d’onda di plasma: solo in questo modo il sistema entra in risonanza.

Particelle sulla cresta dell’onda

Un possibile modo con cui sfruttare il campo elettrico associato alle onde di plasma per accelerare particelle è quello di accelerare le particelle del plasma stesso. Ciò può essere fatto utilizzando un impulso laser sufficientemente elevato da rompere l’onda elettronica. In questo modo gli elettroni che seguono l’oscillazione acquistano sufficiente energia da staccarsi dalla cresta dell’onda e vengono accelerati in avanti fino a fuoriuscire dal plasma (cfr. Figura qui accanto).

Più interessante per le applicazioni future è la possibilità di accelerare nel plasma particelle iniettate dall’esterno. Se si immette all’interno del plasma eccitato da laser un pacchetto di particelle sufficientemente stretto (metà della lunghezza d’onda di plasma) e con la giusta fase rispetto alla cresta dell’onda, le particelle iniettate possono essere spinte in avanti e accelerate dall’onda stessa. Per fare questo è sufficiente utilizzare plasmi con lunghezze dell’ordine di qualche centimetro, da confrontare con i metri di lunghezza degli acceleratori canonici.

Attualmente ai Laboratori Nazionali di Frascati è in via di realizzazione proprio l’esperimento PlasmonX, il primo in assoluto che prevede di accelerare tramite plasma un pacchetto di particelle iniettate dall’esterno come appena descritto.