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Lunedì 30 Maggio 2011
Suono e luce
solo andata
Giorgio Casati dell'universita' dell'Insubria e Stefano Lepri del Cnr scoprono nuovi materiali che possono governare la trasmissione delle onde
Se pensiamo ad un'onda che si genera da una sorgente, come ad esempio quando viene lanciato un sasso in uno stagno, è facile immaginare come essa si propaghi in maniera naturale in tutte le direzioni a cerchi concentrici. Normalmente avviene così anche per le onde sonore e luminose, che siamo meno abituati a osservare.
Quando proviamo a rappresentare la luce - pensiamo a quando un bambino prova a disegnare il sole - tendiamo a farlo con una serie di raggi che escono da un centro: possiamo dire che ogni raggio rappresenta un'onda luminosa che si propaga in maniera lineare in un'unica direzione. Una proprietà che si pensava impossibile da un punto di vista fisico, adatta solo a essere rappresentata su un foglio da disegno.
Eppure ci sono alcuni materiali che fanno sì che le onde viaggino attraverso di essi proprio con questa modalità a senso unico, in un'unica direzione da un punto a un altro. Questa possibilità è stata prevista teoricamente da Giulio Casati, professore presso il Centro per i sistemi complessi dell'Università dell'Insubria di Como, e da Stefano Lepri, ricercatore dell'Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche di Firenze (Isc-Cnr).
I due ricercatori hanno dimostrato teoricamente che è possibile creare dei percorsi «a senso unico» per la luce e il suono, esplorando le nuove frontiere della fisica non lineare.
Dal punto di vista pratico questa scoperta, pubblicata sulla rivista scientifica Physical Review Letters, potrebbe essere utilizzata nel campo dei computer quantistici e dell'acustica.
Come detto sopra, normalmente la luce non ha un verso di propagazione preferenziale e si può trasmettere con uguale intensità in ogni direzione, da destra a sinistra o viceversa. Questo perché un'onda attraversa normalmente materiali cosiddetti lineari, come l'aria, il vetro o l'acqua, che cioè trasmettono tutte le frequenze di un'onda allo stesso modo. Le nanotecnologie hanno però permesso di creare sottili lamine di materiali "non lineari" che hanno la proprietà di governare la frequenza e l'ampiezza di un'onda, vale a dire la trasmissione della stessa. Ciò fa sì che possa avvenire appunto che l'onda si propaghi in una sola direzione, compiendo un percorso a senso unico.
L'articolo che riferisce della scoperta, pubblicato su Physical Review Letters descrive, tramite un modello matematico, cosa accade facendo passare della luce attraverso un materiale non-lineare.
Tutto ciò è possibile per qualsiasi tipo di onda, quindi non solo quelle luminose. È possibile pertanto applicare questa teoria anche alle onde sonore e creare così un ambiente ideale da un punto di vista acustico, utile sia per l'insonorizzazione degli ambienti che per la creazione di studi di registrazione o di sale concerto prive di disturbi, ad esempio insonorizzando una stanza in modo unidirezionale, riuscendo a non far sentire al di fuori i suoni prodotti all'interno, ma mantenendo la possibilità di percepire quelli esterni.
Secondo Giulio Casati lo studio dimostra che «è possibile costruire particolari diodi, simili a quelli dei componenti elettronici che conducono elettricità in una sola direzione, per guidare la traiettoria di un fascio luminoso, ad esempio in un computer ottico o a quanti». Le proprietà innovative di questa ricerca stanno nel fatto che la possibilità di trasmissione a senso unico delle onde è negata dal teorema della reciprocità, secondo il quale le onde che attraversano un materiale in una direzione non potranno in nessun caso essere "bloccate" nella direzione opposta. «Per superare questo limite dobbiamo andare oltre le concezioni classiche della fisica lineare - conclude il ricercatore - nei sistemi non lineari sono possibili risultati a volte anche inaspettati».
Casati non è nuovo a questo tipo di studi: già dieci anni fa aveva infatti dimostrato la possibilità di trasmissione unidirezionale con un'altra forma di energia, il calore, riuscendo a trasferirlo in modo non lineare secondo la stessa direzione «a senso unico».
*Assegnista di ricerca, Dipartimento di Scienze Ambientali dell'Università di Milano Bicocca - Sopra il titolo un fotomontaggio di Mauro Montanelli
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