Le bolle di sapone si trasformano in laser – Physics World

Il sapone è stato per lungo tempo un alimento base in casa, ma gli scienziati sloveni ne hanno ora trovato un nuovo utilizzo trasformando le bolle di sapone in minuscoli laser. Lavorando all'Istituto Jožef Stefan e all'Università di Lubiana, hanno iniziato creando bolle di sapone di pochi millimetri di diametro. Quando li hanno mescolati con un colorante fluorescente e li hanno pompati con un laser pulsato, le bolle hanno iniziato a lasarsi. Le lunghezze d’onda della luce emesse dalla bolla sono altamente reattive alle sue dimensioni, aprendo la strada a sensori laser a bolla in grado di rilevare piccoli cambiamenti nella pressione o nel campo elettrico ambientale.

Un laser richiede tre componenti chiave: un mezzo di guadagno, una fonte di energia per il mezzo di guadagno e un risonatore ottico. Il mezzo di guadagno amplifica la luce, il che significa che per ogni fotone che entra nel mezzo di guadagno, ne esce più di un fotone. Questo fenomeno può essere sfruttato posizionando il mezzo di guadagno in un risonatore – ad esempio, tra due specchi o all’interno di un anello – in modo tale che i fotoni emessi dal mezzo di guadagno lo attraversino per creare un fascio di luce amplificato e coerente.

I laser a bolle di sapone fanno esattamente questo. Per realizzarli, Matjaž Humar e Zala Korenjak hanno mescolato una soluzione di sapone standard con colorante fluorescente, che funge da mezzo di guadagno. Le bolle si formano all'estremità di un tubo capillare e illuminandole con un laser pulsato si pompa il mezzo di guadagno. La luce prodotta dal mezzo di guadagno circola lungo la superficie della bolla, che agisce come un risonatore.

Per caratterizzare l'emissione della bolla, i ricercatori hanno utilizzato uno spettrometro per misurare le lunghezze d'onda della luce prodotta. Solo dopo che il sistema raggiunge una soglia di pompaggio di energia, i ricercatori vedono i picchi nello spettro della lunghezza d'onda della bolla, un indicatore chiave dell'effetto laser.

Dalla Cattedrale di St. Paul alla superficie di una bolla di sapone

Formare un risonatore da una sfera non è, di per sé, una novità. Le microcavità formate in sfere, anelli e toroidi hanno tutte trovato impiego nel rilevamento e sono conosciute come risonatori in modalità galleria sussurrante dal nome della famosa galleria sussurrante nella Cattedrale di St. Paul a Londra. All'interno di questa grande stanza circolare, due persone che stanno di fronte alla parete su lati opposti possono ascoltarsi anche con un sussurro grazie all'efficiente guida delle onde sonore lungo le pareti curve della stanza.

Più o meno allo stesso modo, Humar e Korenjak hanno scoperto che la luce si propaga lungo la superficie della bolla di sapone nel loro laser e appare come una banda luminosa sul guscio della bolla. Mentre la luce viaggia attorno alla superficie della bolla, interferisce, creando “modalità” distinte del risonatore. Queste modalità si presentano come una serie di picchi regolarmente distanziati nello spettro di lunghezze d'onda della bolla.

Non farmi scoppiare la bolla

“Esistono molti micro-risonatori utilizzati come cavità laser, compresi gusci sferici solidi”, osserva Matjaž. “Le bolle di sapone, tuttavia, non sono state finora studiate come cavità ottiche”.

Ciò potrebbe essere in parte dovuto al fatto che i laser a bolle di sapone hanno una praticità limitata. Man mano che l'acqua evapora dalla superficie della bolla, lo spessore della bolla cambia rapidamente fino a quando non scoppia.

Una soluzione più pratica perseguita dai ricercatori è quella di creare bolle da cristalli liquidi smectici. Questi non contengono acqua e possono formare bolle molto sottili, in genere spesse circa 30-120 nanometri (nm). Questi laser a bolle smectiche sono più stabili e possono sopravvivere quasi indefinitamente. Come spiega Matjaž, le bolle più spesse (come quelle create dal sapone), consentono molti modi nel risonatore, risultando in molti picchi, possibilmente sovrapposti, nello spettro delle lunghezze d'onda. Bolle più sottili (meno di 200 nm), tuttavia, consentono solo una modalità nel risonatore. Questa operazione monomodale si manifesta come picchi distribuiti uniformemente negli spettri laser.

I ricercatori hanno dimostrato che la lunghezza d’onda emessa dai laser a bolle potrebbe essere regolata alterando il loro ambiente. Nello specifico, il cambiamento della pressione ambientale o dei campi elettrici ha alterato la dimensione della bolla, che cambia la dimensione del risonatore e, di conseguenza, la lunghezza d'onda dell'emissione laser. Le misurazioni presentate mostrano che i laser a bolle smectiche sono sensibili a campi elettrici fino a 0.35 V/mm e a variazioni di pressione di 0.024 Pa – alla pari o migliori di alcuni sensori esistenti.

La coppia descrive il proprio lavoro in Revisione fisica X.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/soap-bubbles-transform-into-lasers/