Per la prima volta, un team di ricercatori dell’Istituto Fraunhofer di ottica applicata e ingegneria di precisione IOF e dell’Università del New Mexico è riuscito a raffreddare il vetro di silice di 67 Kelvin attraverso il raffreddamento laser ottico. I ricercatori di Jena e Albuquerque hanno pubblicato i risultati sulla rivista Ottica Express.
Taglio, foratura, saldatura: solitamente associamo la luce laser al riscaldamento dei materiali, ad esempio per lavorare con precisione su oggetti in metallo o pietra. Ma in determinate circostanze è anche possibile raffreddare i materiali mediante irraggiamento con luce laser, un effetto noto per il raffreddamento Doppler dei gas. Tuttavia, la radiazione laser può causare il raffreddamento anche nei solidi.
Questo effetto paradossale diventa possibile attraverso il cosiddetto raffreddamento della fluorescenza anti-Stokes. In questo processo, un materiale speciale e di elevata purezza viene eccitato tramite radiazione luminosa laser. A causa della differenza di energia tra il laser di eccitazione e la radiazione emessa dal materiale, cioè la fluorescenza, l'energia viene estratta dal materiale sotto forma di calore e viene raffreddata.
Un gruppo di ricerca composto da ricercatori del Fraunhofer IOF e dell'Università del New Mexico ha studiato il raffreddamento laser del vetro di silice drogato e ha realizzato uno sviluppo significativo nel loro articolo.
I ricercatori hanno nuovamente superato la precedente soglia di raffreddamento del vetro di silice
Per molti anni il raffreddamento del vetro di silice è stato considerato impossibile. Ma nel 2019, i ricercatori di Jena e Albuquerque sono stati in grado di dimostrare per la prima volta il raffreddamento laser del vetro di silice drogato con itterbio.
Allora, il raffreddamento raggiungeva solo 0.7 Kelvin dalla temperatura ambiente. Per superare la precedente soglia di raffreddamento, sono stati ottimizzati il processo specifico per la produzione del materiale drogato e la sua esatta composizione. Inoltre, i laser di eccitazione utilizzati per le misurazioni condotte dall'Università del New Mexico sono stati migliorati in stretta collaborazione con i ricercatori del Fraunhofer IOF.
In questo modo i ricercatori sono riusciti a realizzare un nuovo raffreddamento da record: irradiando un'asta di silice drogata con itterbio da parte di un laser di eccitazione con una potenza di 97 Watt e una lunghezza d'onda di 1,032 nanometri, i ricercatori sono riusciti a dimostrare un riduzione della temperatura rispetto alla temperatura ambiente di 67 Kelvin entro due minuti.
Il materiale simile alla fibra apre nuovi potenziali di applicazione
Grazie a questo nuovo sviluppo, in futuro potranno essere sviluppati nuovi laser estremamente stabili e amplificatori a basso rumore per la metrologia di precisione o per esperimenti quantistici. Inoltre, il processo ottimizzato può promuovere il raffreddamento senza vibrazioni e quindi aprire nuovi potenziali per l’applicazione nell’analisi dei materiali e nella diagnostica medica attraverso la criomicroscopia e la spettroscopia gamma.
Particolarmente interessante è il potenziale utilizzo del materiale nelle fibre. In futuro, il nuovo processo potrebbe essere utilizzato per sviluppare laser a fibra ad alte prestazioni che non devono affrontare gli effetti limitanti dell’instabilità termica.
Il nuovo processo rappresenta un progresso significativo nel raffreddamento laser e, secondo le considerazioni teoriche degli esperti, non segna ancora la massima riduzione possibile della temperatura utilizzando la luce laser.