Dal laboratorio quantistico alla stratosfera
I fisici dell'ETH hanno sviluppato un laser a cascata quantistica che può essere utilizzato per visualizzare i deboli segnali infrarossi provenienti dallo spazio. L'apparecchio è attualmente utilizzato in un volo del più grande osservatorio aereo.
Lorenzo Bosco, dottorando di Jér?me Faist, professore dell'Istituto di elettronica quantistica, sta compiendo un volo insolito: il fisico dell'ETH sta salendo nella stratosfera a bordo di uno speciale velivolo della NASA, un Boeing 747SP convertito, dove sta partecipando a misurazioni astrofisiche. In questa giornata, l'equipaggio dello Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA), come viene ufficialmente chiamato l'aereo, misurerà i segnali infrarossi provenienti dai gas di raffreddamento. Gli astrofisici sperano che questo fornisca nuove conoscenze su come si formano le stelle nella nostra galassia.
Un dispositivo aggiuntivo rende visibile il segnale
C'è una buona ragione per cui Faist, la cui ricerca non si concentra sulle stelle ma su futuristici sistemi ottici quantistici, partecipa a una missione astrofisica: lui e il suo team hanno sviluppato un laser speciale che rende possibili queste misurazioni. Infatti, i segnali infrarossi misurati in questo volo sono così deboli che possono essere misurati solo con un trucco.
La frequenza della luce incidente viene modificata con un oscillatore locale in modo da poterla distinguere meglio dal rumore di fondo. Il principio viene utilizzato anche nell'ingegneria delle comunicazioni, ad esempio per migliorare la ricezione delle trasmissioni radiofoniche. Poiché in questo volo gli astrofisici volevano misurare segnali nella gamma dell'infrarosso lontano, avevano bisogno di un laser come oscillatore locale che fornisse un segnale aggiuntivo corrispondente nella gamma dei terahertz.
Applicazione specifica per un dispositivo innovativo
Questo è esattamente ciò che sono in grado di fare i laser a cascata quantistica che Faist e il suo gruppo stanno sviluppando da diversi anni. Sebbene il principio di questi laser sia stato realizzato per la prima volta negli anni '90, quelli che operano nella gamma dei terahertz non sono stati quasi mai utilizzati nella pratica. Uno dei motivi è che devono essere raffreddati a temperature molto basse durante il funzionamento.
Per la missione SOFIA, Faist e il suo team hanno sviluppato un laser a cascata quantistica specificamente adattato alle esigenze degli astrofisici. "La sfida era sviluppare un dispositivo che fornisse un segnale preciso e potente con una frequenza chiaramente definibile", spiega Faist. Il fatto che questo concetto di laser abbia trovato un'applicazione concreta dopo tanti anni di lavoro di sviluppo soddisfa Faist.
L'ETH spera inoltre che la missione fornisca informazioni su come migliorare ulteriormente il laser, in modo che gli astrofisici possano effettuare misure all'infrarosso con una maggiore risoluzione durante i loro voli.
L'osservatorio volante e il laser ottico quantistico
