Un gruppo di ricercatori della Pennsylvania State University ha messo a punto un nuovo strumento computazionale che potrebbe rivoluzionare il modo in cui gli scienziati analizzano i materiali a livello microscopico. Il sistema, descritto sulla rivista Optica, è in grado di interpretare le immagini prodotte dalla microscopia ottica non lineare, una tecnica sofisticata che utilizza laser ad alta intensità per rivelare proprietà dei materiali normalmente invisibili. Questo sviluppo promette di accelerare e semplificare processi di analisi che fino ad oggi richiedevano tempo ed elevati costi.
La microscopia ottica non lineare funziona secondo principi radicalmente diversi dalla visione umana ordinaria. Mentre i nostri occhi percepiscono il mondo attraverso interazioni ottiche lineari come riflessione e rifrazione, questa tecnica sfrutta fasci laser estremamente concentrati per generare segnali ottici completamente nuovi. L'intensità della luce laser, superiore a quella di qualsiasi fonte naturale come il sole, provoca interazioni esotiche tra materia e luce che rivelano informazioni strutturali altrimenti inaccessibili.
Il vero problema, fino ad ora, era dare senso alle immagini prodotte. Creare l'immagine è una cosa, ma comprendere cosa stiano facendo realmente gli atomi e quali siano le proprietà locali del materiale rappresenta una sfida ben più complessa. Come spiega Venkatraman Gopalan, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State e coautore della ricerca, "la luce è davvero centrale per vedere il nostro mondo, e stiamo costantemente cercando nuovi modi di vedere le cose".
Il progetto è nato quasi per caso, quando il team ha osservato fenomeni inaspettati nelle immagini di un campione che credevano di conoscere perfettamente. Albert Suceava, studente di dottorato e primo autore dello studio, ricorda: "Vedevamo cose nelle nostre immagini che non riuscivamo a spiegare, quasi come un'illusione ottica". La domanda era se questi fenomeni fossero dovuti al campione stesso o al microscopio.
Per risolvere l'enigma, i ricercatori hanno dovuto analizzare meticolosamente cosa fa esattamente il microscopio alla luce quando questa viene focalizzata molto strettamente. Il loro approccio si concentra sulla modellazione degli effetti che la focalizzazione stretta del laser ha sulla polarizzazione della luce che interagisce con il campione. Questo lavoro certosino ha richiesto tempo, ma ha permesso di garantire che le osservazioni non fossero semplici illusioni ottiche ma dati accurati.
Per comprendere il funzionamento della tecnica, Gopalan utilizza una metafora musicale particolarmente efficace: "Gli atomi vibrano in modo diverso e fanno musica; danzano a ritmi differenti, e la luce è come la musica". Quando si vuole sapere come vibrano gli atomi, si invia un colore di luce e gli atomi possono vibrare assorbendone una parte. La luce riflessa risulta leggermente diversa nel colore, con una lunghezza d'onda leggermente più lunga e una frequenza minore, perché riflette la piccola quantità di energia ceduta.
Nel loro lavoro, il team ha impiegato una tecnica specifica nota come microscopia a generazione di seconda armonica. Questo metodo, in cui un materiale cambia il colore della luce raddoppiandone la frequenza, può rilevare segnali che indicano una "danza sbilanciata degli elettroni", rivelando la polarità dei materiali. Tale raddoppio di frequenza può trasformare una luce infrarossa in blu, un fenomeno che deriva proprio da questa danza asimmetrica degli elettroni all'interno degli atomi nei solidi.
L'innovazione principale del nuovo framework risiede nella sua capacità di andare oltre il semplice "guarda e vedi". Come sottolinea Suceava, "vogliamo sapere quali informazioni aggiuntive potrebbero essere nascoste nel modo in cui le immagini cambiano con diverse sorgenti luminose o ottiche diverse". Il sistema è stato testato su una varietà di materiali di riferimento, confrontando i risultati con proprietà note, e questo ha permesso anche di estrarre informazioni quantitative dai campioni.
Lo spettro elettromagnetico comprende molti tipi di onde luminose, dalle onde radio ai raggi gamma, ciascuna con lunghezza d'onda e frequenza diverse. Gli scienziati possono utilizzare le informazioni su come gli oggetti e i materiali emettono, assorbono, trasmettono o riflettono la luce per investigarne le proprietà. Dalla scala atomica alle vibrazioni molecolari, ogni elemento fornisce una firma distintiva del materiale.
Il valore pratico dell'approccio sviluppato dal team della Penn State è notevole. La microscopia ottica non lineare trova applicazioni in campi che spaziano dalla biologia all'informatica quantistica, e qualsiasi campione può essere studiato con questa tecnica. Tuttavia, la vera caratterizzazione di un materiale richiede ben più della semplice creazione di un'immagine: serve comprendere cosa stanno facendo gli atomi e quali siano le proprietà locali.
I ricercatori ritengono di aver trovato un modo di affrontare questo problema che risulta più semplice rispetto agli approcci precedenti, pur fornendo un'eccellente concordanza con i campioni noti. Invece di limitarsi a scattare una foto, il framework permette di mappare le proprietà dei materiali, contribuendo a costruire una biblioteca di proprietà utilizzabili in varie applicazioni. L'obiettivo finale è standardizzare l'approccio per l'analisi dei dati nella comunità dell'ottica non lineare, migliorando la coerenza e la riproducibilità nella caratterizzazione dei materiali.