FISICA/ Il termometro più preciso del mondo funziona con la luce

Tre volte più preciso del più preciso termometro esistente. E’ quello che hanno sviluppato alcuni fisici australiani. Ce ne parla spiegandone l’importanza SERGIO MUSAZZI

13.06.2014 - Sergio Musazzi
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Termometro - Infophoto

In un recente numero della prestigiosa rivista scientifica “Physical Review Letters” è stato pubblicato un articolo riguardante un termometro ottico di nuova concezione dalle prestazioni uniche. Lo strumento, sviluppato da un gruppo di fisici dell’Università di Adelaide (Australia), infatti, risulta essere ben tre volte più preciso del miglior termometro attualmente esistente. Stando a quanto affermano gli autori del lavoro, il loro termometro è in grado di misurare in tempi molto brevi (un secondo) variazioni di temperatura di alcune decine di miliardesimi di grado (30 miliardesimi, per la precisione). Questo risultato si riferisce a misure realizzate su corpi a temperatura ambiente, ma, stando a quanto affermano i ricercatori australiani, la precisione dello strumento potrebbe addirittura migliorare qualora le misure venissero effettuate in ambiente criogenico – cioè a temperature prossime allo zero assoluto (-273 gradi centigradi).

Per rendersi conto dell’estrema sensibilità di questo strumento, vale la pena ricordare quali sono gli effetti della temperatura sulla struttura microscopica della materia. Normalmente siamo soliti attribuire alla temperatura il significato di una valutazione dello stato termico di un corpo (quanto è caldo o quanto è freddo), limitandoci così a fornire una descrizione macroscopica del fenomeno fisico. Se invece si analizzassero i suoi effetti microscopici (cioè a livello della struttura atomica), si scoprirebbe che lo stato termico di un corpo influenza il comportamento dinamico dei suoi atomi. Gli atomi di un materiale, infatti, non sono mai fermi, ma in continua oscillazione attorno alla loro posizione di equilibrio, trasformando così l’energia termica loro fornita dall’ambiente in energia meccanica. Ne consegue che l’entità di questa loro perenne agitazione dipende in misura diretta dalla temperatura del corpo. Ebbene, il termometro di cui ci stiamo occupando è così sensibile da riuscire a rivelare addirittura le debolissime fluttuazioni di temperatura (attorno al suo valor medio) causate dall’agitazione termica degli atomi.

Ma come funziona questo termometro ottico? L’idea di fondo è abbastanza semplice e sfrutta il fatto che raggi luminosi di diverso colore (e quindi di diversa lunghezza d’onda) propagano in un mezzo trasparente con differente velocità. La misura della temperatura diventa possibile in quanto la velocità di propagazione della luce dipende a sua volta dallo stato termico del materiale.  Pertanto, variazioni di temperatura del mezzo si riflettono direttamente in variazioni della velocità di propagazione delle diverse lunghezze d’onda. Misurando come varia il ritardo fra due differenti componenti cromatiche della luce è possibile risalire alla variazione di temperatura nel corpo. In pratica, nell’esperimento realizzato dai ricercatori australiani, vengono iniettati in un disco di materiale cristallino (lavorato otticamente) due fasci laser di diversa lunghezza d’onda (uno di colore rosso l’altro verde) e si misura il ritardo fra i due fasci all’uscita dal cristallo opportunamente riscaldato. Poiché il ritardo fra i due fasci su piccoli percorsi è estremamente modesto (e quindi difficilmente rivelabile) i fisici hanno escogitato uno stratagemma per allungare il percorso ottico all’interno del campione. 

Il trucco sta tutto nella forma del disco cristallino usato nell’esperimento. La geometria del disco è stata, infatti, studiata in modo da riprodurre un risonatore ottico del tipo “Whispering Gallery” (letteralmente “Galleria dei Sussurri”). Si tratta di un particolare modo di propagazione delle onde all’interno di una struttura cilindrica scoperto nel 1910 da Lord Reyleigh. Si deve, infatti, al fisico inglese la spiegazione di un curioso fenomeno acustico che si verifica nella cattedrale di S. Paul a Londra. Percorrendo la galleria che corre lungo la parete della cupola di questa cattedrale, in prossimità della sua superficie si avverte un forte bisbiglio e persino il battito delle ali di uccelli lontani. L’aspetto interessante di questo fenomeno sta nel fatto che si manifesta soltanto se la sorgente del suono è situata nelle vicinanze della parete. Lord Reyleigh arrivò alla soluzione del problema scoprendo che esiste una modalità di propagazione molto efficiente dei segnali acustici a piccole distanze dalle pareti della galleria. In pratica, a causa della particolare geometria dell’ambiente, le onde acustiche rimangono confinate solo in prossimità della superficie propagandosi lungo la parte con piccolissime perdite. 

In analogia con questo risonatore acustico, i fisici dell’Università di Adelaide hanno realizzato un risonatore ottico (il cilindro cristallino) progettato in modo tale che la luce al suo interno possa rimbalzare moltissime volte sulla parete laterale e quindi compiere un percorso sufficientemente lungo nel mezzo da generare un ritardo misurabile fra i due fasci laser.

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