Scienza e fantascienza: arriva il raggio traente stile Star Wars

Uno degli effetti speciali più amati e più intriganti dei film di fantascienza, il raggio traente, è stato dimostrato fisicamente possibile e realizzabile: Mordechai Segev, fisico al Technion ( Israel Insititute of Technology ), spiega su un articolo di Optics Express perché dispositivi quali il “radiofaro traente” della Morte Nera di Star Wars non devono essere confinati nel mondo delle fantasie impossibili.

In effetti Segev, sulla scia di studi degli anni Settanta su materiali dalle proprietà particolari, prova come si possa attrarre la materia sfruttando non la pressione, bensì un’onda elettromagnetica, la luce.

Chiunque ha ben chiaro come si possa attirare massa verso di sé creando una pressione negativa ( depressione ), basti pensare a quando si beve una bibita con la cannuccia: creando un dislivello pressorio si scatena una serie di risposte a livello dinamico.

L’utilizzo della luce al posto di una pressione è in effetti una tecnica ormai assodata – esistono “ pinzette ottiche “ che spostano, grazie alla debole spinta della luce, particelle microscopiche e submicroscopiche, anche atomi; degli ingegneri hanno già proposto “vele solari” per spostare mezzi nello spazio –, ma finora della luce è sempre stata sfruttata la sola pressione positiva.

L’idea rivoluzionaria sta proprio nel creare una sorta di “ depressione “ a carico della luce stessa: ciò condurrebbe, al di là di fantasiose realizzazioni fantascientifiche, ad interessanti applicazioni nei campi medico e biologico; con questa tecnica si potrebbe operare infatti in ambienti con pressioni in delicato equilibrio e che non devono essere per alcuna ragione modificate, come gli alveoli polmonari.

La proposta innovativa

Segev ha proposto la creazione di una pressione di radiazione negativa sulla scorta degli studi del 1967 condotti dal fisico russo Victor Veselago, teorizzatore dell’indice di rifrazione negativo, caratteristica peculiare di certe sostanze definite metamateriali. L’indice di rifrazione è una costante che definisce quanto viene deviato un raggio di luce passante da un mezzo ad un altro, ad esempio dall’acqua all’aria. Grazie allo studio dei metamateriali sono stati realizzati “mantelli dell’invisibilità” parziali e lenti prive – o quasi – di aberrazioni.

 Il meccanismo

La pressione di radiazione negativa si realizza conferendo direzioni diverse a due componenti della luce come onda elettromagnetica, la velocità di gruppo e la velocità di fase.

La velocità di gruppo è la velocità generale del gruppo di onde che compone la luce, costituendone la direzione, la velocità di fase inerisce a velocità e direzione di un punto su una delle onde costituenti minori. L’energia elettromagnetica dell’onda va nella direzione della velocità di gruppo, mentre l’effetto dell’onda su una particella va nella direzione della velocità di fase. Si capisce come, separando le direzioni delle due velocità, sia possibile generare una pressione di radiazione negativa.

Un’ulteriore innovazione introdotta dai fisici del Technion è quella di preferire ai metamateriali, spesso contenenti metalli che assorbono gran parte dell’energia elettromagnetica e che influiscono sulla effettiva realizzazione della pressione di radiazione negativa, una guida d’onda costituita da materiali dotati di una singolare caratteristica, detta birifrangenza.

I materiali birifrangenti, come il quarzo o la calcite, presentano un indice di rifrazione differente a seconda della direzione d’incidenza della luce su loro stessi, ricreando effetti ottici particolari e, nello specifico della ricerca di Segev, molto utili alla realizzazione della depressione cercata.

Raggio traente stile Star Wars

Segev stesso ha definito l’apparecchio che ha progettato come un sandwich, costituito da vari strati di materiali birifrangenti diversi, posti insieme a specchi appositamente progettati, che nel loro centro presentano uno spazio in cui si può inserire il materiale da trainare con la pressione di radiazione negativa.

Questo modello permette l’adozione di ampi spazi di manipolazione delle particelle, in quanto con pochi micrometri di materiali birifrangenti si possono creare depressioni su “gaps” al centro del sandwich spessi anche dei millimetri, con un promettente fattore 1000 in favore delle dimensioni dei materiali su cui esercitare le pressioni negative.

Viktor Podolskiy, fisico dell’Università del Massachusetts a Lowell, che non ha partecipato alla ricerca ma che ha seguito con interesse lo sviluppo sia dei materiali birifrangenti sia dei metamateriali, afferma che, se i metamateriali permettono il confinamento della luce e della sua energia in piccoli spazi, la birifrangenza permette invece di traslare la potenza traente elettromagnetica su scale dimensionali molto più vaste.