Immaginate finestre che possono facilmente trasformarsi in specchi o computer ad altissima velocità che funzionano non tramite elettroni ma fotoni. Queste sono solo alcune delle potenziali applicazioni che potrebbero emergere dall'ingegneria ottica, la pratica di utilizzare i laser per modificare rapidamente e temporaneamente le proprietà dei materiali.
"Questi strumenti potrebbero consentire di trasformare le proprietà elettroniche dei materiali con il semplice tocco di un interruttore della luce", ha spiegato David Hsieh, professore di fisica al Caltech. "Ma le tecnologie sono state limitate dal problema dei laser che creano troppo calore nei materiali".
In un nuovo studio su Nature, Hsieh e il suo team, tra cui l'autore principale e studente laureato Junyi Shan, riportano il successo nell'uso dei laser per scolpire drasticamente le proprietà dei materiali senza la produzione di alcun calore dannoso in eccesso. "I laser necessari per questi esperimenti sono molto potenti, quindi è difficile non riscaldare e danneggiare i materiali", afferma Shan. "Da un lato, vogliamo che il materiale sia sottoposto a una luce laser molto intensa. D'altra parte, non vogliamo che il materiale assorba nessuna di quella luce".
Gli scienziati dicono anche di aver trovato un materiale ideale per dimostrare questo metodo. Il materiale, un semiconduttore chiamato trisolfuro di fosforo di manganese, assorbe naturalmente solo una piccola quantità di luce su una vasta gamma di frequenze infrarosse.
Per i loro esperimenti, Hsieh, Shan e colleghi hanno utilizzato intensi impulsi laser a infrarossi, ciascuno della durata di circa 10-13 secondi, per cambiare rapidamente l'energia degli elettroni all'interno del materiale. Di conseguenza, il materiale è passato da uno stato altamente opaco a uno altamente trasparente per determinati colori di luce.
Ancora più fondamentale, secondo i ricercatori, è che il processo è reversibile. Quando il laser si spegne, il materiale torna immediatamente al suo stato originale completamente incolume. Ciò non sarebbe possibile se il materiale avesse assorbito la luce laser e riscaldato perché ci sarebbe voluto molto tempo prima che il materiale dissipasse il calore. La manipolazione senza calore utilizzata nel nuovo processo è nota come "ingegneria ottica coerente".
Il metodo funziona perché la luce altera le differenze tra i livelli di energia degli elettroni nel semiconduttore (chiamati gap di banda) senza calciare gli elettroni stessi in diversi livelli di energia, che è ciò che genera calore. "È come se avessi una barca, e poi arriva una grande onda e scuote vigorosamente la barca su e giù senza far cadere nessuno dei passeggeri", spiega Hsieh. "Il nostro laser sta oscillando vigorosamente i livelli di energia del materiale, e questo altera le proprietà dei materiali, ma gli elettroni rimangono".
I risultati, secondo Hsieh, indicano che altri ricercatori possono ora potenzialmente utilizzare la luce per creare artificialmente materiali, come magneti quantistici esotici, che altrimenti sarebbero stati difficili o addirittura impossibili da creare naturalmente.