Sviluppo di sorgenti laser nel Centro Enea di Frascati

Dispositivi per il telerilevamento di sostanze nocive presenti nell’aria e nell’acqua, sistemi di marcatura per l’anticontraffazione, apparati per il monitoraggio e la diagnostica delle opere d’arte, metodi non invasivi per il riconoscimento di cibi adulterati o per il rilevamento di metalli nelle derrate alimentari sono solo alcuni dei progetti realizzati nel Centro ricerche Enea di Frascati. Risultati di rilievo che, pur spaziando nei più variegati settori, si basano sull’utilizzo della stessa tecnologia: le sorgenti laser.

“Laser” è ormai una parola di uso comune nel nostro linguaggio. A tutti è noto che con questo termine indichiamo un apparecchio che emette un fascio di luce molto intenso e tutti sanno che la sua applicazione spazia dall’elettronica all’industria pesante, alla medicina, alla microlitografia fino a comprendere la protezione dell’ambiente e la tutela del patrimonio artistico.

Pochi però sono consapevoli che il termine Laser, è l’acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, (Amplificazione della luce mediante emissione stimolata) e che i suoi elementi fondamentali sono il mezzo attivo, che può essere un gas o un solido, la cavità ottica cioè uno spazio di lunghezza ben definita racchiuso tra due specchi riflettenti e il sistema di eccitazione. Quando il mezzo attivo, costituito da atomi o molecole, viene “eccitato”, ad esempio tramite una scarica elettrica, assorbe energia che poi rilascia sotto forma di radiazione luminosa ovvero fotoni. Questi, a loro volta, rimbalzano nella cavità ottica e, attraversando più volte il mezzo attivo, subiscono un’amplificazione. S’innesca così una sorta di reazione a catena che, partendo da radiazioni di bassa intensità, giunge a produrre un’enorme quantità di “luce” dalle caratteristiche molto particolari.

A differenza della lampadina, la cui radiazione luminosa ha molte lunghezze d’onda e si diffonde in tutte le direzioni, quella del laser è una luce monocromatica, coerente e collimata. In altri termini significa che questo strumento genera onde luminose che oscillano con la stessa frequenza e che possono essere concentrate su una superficie di dimensioni inferiori al millesimo di millimetro con una densità di energia molto elevata.
Al Centro Enea di Frascati la ricerca sulla tecnologia dei laser è iniziata intorno agli anni 60’. Eravamo agli albori degli studi sulla fusione nucleare e in quei laboratori si sperimentava la possibilità di produrre plasmi termonucleari utilizzando potenti raggi laser per portare a temperature elevatissime ghiaccioli di deuterio.
Sfruttando la versatilità dei parametri applicabili a queste apparecchiature, quali la lunghezza d’onda, il materiale attivo utilizzato e il tempo di emissione della luce, i ricercatori del Centro di Frascati hanno sviluppato, nel corso degli anni, diversi tipi di laser ottenendo importanti risultati scientifici in ambiti applicativi molto diversi tra loro. E’ il caso di MET-EGERIA, apparato di litografia di ultima generazione basato su una sorgente di radiazioni nell’estremo ultravioletto e raggi X in grado di produrre qualsiasi disegno con un dettaglio spaziale molto spinto. La microelettronica, la fotonica, la nanobiologia potrebbero avvalersi di questa tecnologia per costruire computer molto più piccoli e potenti di quelli attuali, per creare dispositivi ottici miniaturizzati o per studiare la crescita o il comportamento di singole cellule con un dettaglio di pochi miliardesimi di metro.

Ma MET-EGERIA significa anche possibilità di combattere la contraffazione, un fenomeno che ha registrato negli ultimi anni una crescita esponenziale considerando che oggi vengono contraffatti non solo beni di lusso dal costo elevato ma merci di uso comune come prodotti alimentari, medicinali, giocattoli, cosmetici. Le ripercussioni sull’’economia di un Paese sono enormi e preoccupanti le conseguenze sulla sicurezza e salute dei cittadini.

MET-EGERIA potrebbe contribuire ad abbattere questo fenomeno. Si tratta di un dispositivo che permette di scrivere, sulle etichette applicate all’oggetto da “proteggere”, lettere e codici invisibili e impossibili da clonare; una marcatura che neanche il microscopio potrebbe evidenziare e che apparirebbe soltanto utilizzando una particolare tecnica di lettura brevettata dai ricercatori del Centro di Frascati.

Si prospettano tempi duri per i falsari se le aziende, ora costrette a sopportare una concorrenza sleale, adotteranno l’innovativa tecnologia ideata dall’ Enea di Frascati.
Un’altra attività sviluppata nel Centro riguarda la ricerca sulla tecnologia dei laser ad elettroni liberi, i FEL ( Free Electron Laser). Il loro impiego ha portato alla realizzazione – in collaborazione con l’INFN, il CNR e l’’università di Roma Tor Vergata – di un particolare laser-prototipo con capacità osservative uniche al mondo.
Il suo nome è SPARC, acronimo di Sorgente Pulsata Amplificata Radiazione Coerente e, rispetto alle sorgenti convenzionali, utilizza come mezzo attivo un fascio di elettroni di elevata energia che si propaga in un magnete di tipo ondulatore.

Questo apparecchio potrebbe, potenzialmente, essere utilizzato come un supermicroscopio poichè il notevole numero di fotoni che rilasciata (10 miliardi di volte maggiore di quello emesso dalle sorgenti attuali) associato alla brevità della radiazione emessa (un decimillesimo di miliardesimo di secondo) consente non solo di osservare fenomeni biochimici ultraveloci ma anche di fotografare molecole, proteine e virus.
Il passo successivo che sta impegnando i ricercatori del centro di Frascati è la realizzazione di SPARX, un laser che emetterà anche radiazione X; una tecnica avveniristica unica in Europa.

Per i non addetti ai lavori non è facile comprendere la valenza scientifica di questa innovativa tecnologia e cogliere gli effetti della sua applicazione nel settore della scienza dei materiali, della fotochimica, della spettroscopia molecolare.

E’ però importante sapere che, raggiunto il traguardo, sarà possibile diagnosticare tumori a uno stadio molto precoce e ottenere maggiori conoscenze su alcune malattie neurodegenerative oggi a decorso fatale.