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Scoperte strane proprietà della della luce inviando impulsi all’interno di plasma caldo

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Molti di noi hanno familiarità con la legge che limita la velocità con cui le informazioni possono viaggiare nello spazio vuoto: la velocità della luce, che supera i 300.000 chilometri al secondo.

C’è, però, da dire che, sebbene sia improbabile che i fotoni stessi rompano questo limite di velocità, ci sono caratteristiche della luce che non rispettano le stesse regole. Manipolarle non migliorerà la nostra capacità di viaggiare verso le stelle, ma potrebbe aiutarci ad aprire la strada a una classe completamente nuova di tecnologia laser.

Ebbene, un team di fisici negli Stati Uniti ha dimostrato che, in determinate condizioni, le onde composte da gruppi di fotoni possono muoversi più velocemente della luce. I ricercatori hanno fatto numerosi test con il limite di velocità degli impulsi luminosi, accelerandoli e persino rallentandoli fino a fermarli virtualmente usando vari materiali come gas atomici freddicristalli di rifrazione e fibre ottiche.

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Ma in modo impressionante, l’anno scorso, i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory in California e dell’Università di Rochester a New York sono riusciti a farlo all’interno di caldi sciami di particelle cariche, regolando la velocità delle onde luminose all’interno del plasma ovunque da circa un decimo della normale velocità della luce nel vuoto a oltre il 30 percento più veloce.

Questo è più – e meno – impressionante di quanto sembri.

Per spezzare il cuore di coloro che sperano in una scoperta che ci porti a Proxima Centauri molto in fretta, questo viaggio superluminale è, in realtà, ben all’interno delle leggi della fisica.

La velocità di un fotone è bloccata dalla trama di campi elettrici e magnetici denominati elettromagnetismo. Non c’è modo di aggirarla, ma anche gli impulsi di fotoni all’interno di frequenze ristrette si spingono in modi che creano onde regolari.

L’ascesa e la caduta ritmiche di interi gruppi di onde luminose si muovono attraverso le cose a una velocità descritta come velocità di gruppo, ed è questa “onda di onde” che può essere modificata per rallentare o accelerare, a seconda delle condizioni elettromagnetiche dell’ambiente circostante.

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Togliendo gli elettroni da un flusso di ioni di idrogeno ed elio con un laser, i ricercatori sono stati in grado di modificare la velocità di gruppo degli impulsi di luce inviati attraverso di essi da una seconda sorgente di luce, frenando o ottimizzandoli regolando il rapporto del gas e costringendo le caratteristiche dell’onda a cambiare forma.

L’effetto complessivo era dovuto alla rifrazione dei campi del plasma e alla luce polarizzata del laser primario utilizzato per eliminarli. Le singole onde luminose continuavano a sfrecciare al loro ritmo abituale, anche se la loro danza collettiva sembrava accelerare.

Da un punto di vista teorico, l’esperimento aiuta a rimpolpare la fisica dei plasmi e porre nuovi vincoli all’accuratezza dei modelli attuali. In pratica, questa è una buona notizia per le tecnologie avanzate che aspettano dietro le quinte indizi su come aggirare gli ostacoli impedendo loro di trasformarsi in realtà.

I laser sarebbero i grandi vincitori, specialmente le tipologie più potenti. I laser della vecchia scuola si basano su materiali ottici a stato solido, che tendono a danneggiarsi quando l’energia aumenta. L’uso di flussi di plasma per amplificare o modificare le caratteristiche della luce aggirerebbe questo problema, ma per sfruttarlo al meglio abbiamo davvero bisogno di modellare le loro caratteristiche elettromagnetiche.

Non è un caso che il Lawrence Livermore National Laboratory sia desideroso di comprendere la natura ottica dei plasmi, essendo la sede di alcune delle tecnologie laser più potenti del mondo .

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Laser sempre più potenti sono proprio ciò di cui abbiamo bisogno per un’intera serie di applicazioni, dall’aumento della potenza degli acceleratori di particelle al miglioramento della tecnologia di produzione di tecnologia di fusione.

Potrebbero non aiutarci a muoverci nello spazio più velocemente, ma sono proprio queste scoperte che ci porteranno verso il tipo di futuro che tutti sogniamo.

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Questa ricerca è stata pubblicata in Physical Review Letters.

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