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La capacità di ottenere immagini ad altissima risoluzione su aree estese rappresenta da sempre una delle sfide più ardue nell'ottica scientifica. Mentre nelle frequenze radio questa limitazione è stata superata brillantemente – come dimostrato dall'Event Horizon Telescope che ha fotografato un buco nero combinando segnali da radiotelescopi sparsi sul pianeta – nel campo della luce visibile il problema è rimasto sostanzialmente irrisolto. Le lunghezze d'onda della luce visibile, infatti, sono migliaia di volte più corte delle onde radio, rendendo estremamente complesso sincronizzare fisicamente sensori separati con la precisione nanometrica necessaria. Un nuovo studio pubblicato su Nature Communications potrebbe aver aperto una via d'uscita completamente inaspettata a questo impasse tecnologico.
Il team guidato da Guoan Zheng, professore di ingegneria biomedica e direttore del Center for Biomedical and Bioengineering Innovation presso l'Università del Connecticut, ha sviluppato il Multiscale Aperture Synthesis Imager (MASI), un sistema che capovolge radicalmente l'approccio tradizionale all'imaging ottico. Invece di cercare di mantenere un allineamento fisico perfetto tra sensori multipli – obiettivo praticamente impossibile alle lunghezze d'onda ottiche – MASI delega completamente la sincronizzazione al software, eseguendola dopo l'acquisizione dei dati attraverso algoritmi computazionali avanzati.
La tecnica dell'apertura sintetica, che consiste nel simulare un'apertura di dimensioni molto maggiori combinando coerentemente le misurazioni di sensori separati, ha rivoluzionato l'astronomia radio proprio perché le lunghe lunghezze d'onda delle onde radio permettono una sincronizzazione relativamente agevole dei segnali provenienti da antenne distanti anche migliaia di chilometri. Trasferire questo principio alla luce visibile si è rivelato un ostacolo formidabile: la scala dimensionale ridottissima richiede una precisione di posizionamento che i metodi interferometrici convenzionali non riescono a garantire in modo pratico e scalabile.
L'innovazione fondamentale di MASI risiede nell'eliminazione completa delle lenti ottiche tradizionali. Il sistema utilizza invece un array di sensori codificati disposti in posizioni diverse all'interno di un piano di diffrazione. Ciascun sensore registra pattern di diffrazione, ovvero le configurazioni che descrivono come le onde luminose si propagano dopo aver interagito con un oggetto. Questi pattern contengono informazioni sia sull'ampiezza che sulla fase della luce, dati che possono essere recuperati successivamente mediante tecniche computazionali sofisticate.
Dopo aver ricostruito il campo d'onda complesso per ciascun sensore, il sistema estende digitalmente i dati e propaga matematicamente i campi d'onda all'indietro verso il piano dell'oggetto. Un processo iterativo di sincronizzazione computazionale della fase corregge quindi le differenze di fase relative tra i diversi sensori, aumentando progressivamente la coerenza e concentrando l'energia nell'immagine finale ricostruita. Questo allineamento basato su software sostituisce la precisione fisica con l'ottimizzazione computazionale, aggirando il limite di diffrazione e altri vincoli che hanno tradizionalmente governato i sistemi di imaging ottico.
Il risultato pratico è un'apertura sintetica virtuale enormemente più grande di qualsiasi singolo sensore fisico. Zheng illustra il concetto con un'analogia efficace: è come se un gruppo di fotografi catturasse la stessa scena non scattando fotografie tradizionali, ma registrando informazioni grezze sul comportamento delle onde luminose. Il software combina poi queste misurazioni separate in un'unica immagine ad altissima risoluzione. La capacità di operare a distanze dell'ordine dei centimetri dall'oggetto, mantenendo comunque una risoluzione sub-micrometrica, rappresenta un vantaggio cruciale rispetto ai microscopi tradizionali.
I microscopi convenzionali e altri sistemi ottici classici impongono infatti compromessi inevitabili: per ottenere risoluzioni elevate occorre avvicinare le lenti all'oggetto, talvolta a pochi millimetri di distanza. Questa breve distanza di lavoro può rendere l'osservazione difficoltosa, invasiva o addirittura impraticabile in numerose applicazioni. MASI elimina questa limitazione catturando pattern di diffrazione da distanze misurate in centimetri, pur ricostruendo immagini con dettagli paragonabili all'osservazione ravvicinata delle microscopiche creste di un capello umano.
La scalabilità del sistema rappresenta forse l'aspetto più promettente della tecnologia. Come sottolinea Zheng, mentre i sistemi ottici tradizionali diventano esponenzialmente più complessi all'aumentare delle dimensioni, MASI presenta una scalabilità lineare. Questa caratteristica apre prospettive applicative straordinariamente ampie: dall'analisi forense all'ispezione industriale, dalla diagnostica medica al telerilevamento. La possibilità di creare array di sensori di grandi dimensioni senza incorrere nella complessità proibitiva delle ottiche convenzionali potrebbe portare a configurazioni e utilizzi ancora non immaginati.
