Il laser in vetro al quarzo si raffredda per registrare la grandezza

Un team di ricercatori dell’Istituto Fraunhofer di ottica applicata e ingegneria di precisione in Germania e dell’Università del New Mexico negli Stati Uniti è riuscito per la prima volta a raffreddare il vetro al quarzo di 67 Kelvin dalla temperatura ambiente mediante raffreddamento laser. I risultati della ricerca sono riportati nell'ultimo numero della rivista Optics Express.
Le persone solitamente associano i laser al riscaldamento dei materiali, come il taglio, la perforazione, la saldatura e l'esecuzione di lavori di precisione su oggetti in metallo o pietra. Ma in casi specifici, i materiali possono anche essere raffreddati mediante radiazione laser, come nel caso del raffreddamento Doppler dei gas. Tuttavia, la radiazione laser può anche raffreddare i solidi.
Per mezzo del cosiddetto raffreddamento a fluorescenza anti-Stokes, questo effetto contrario al freddo-calore diventa possibile. In questo processo, uno speciale materiale di elevata purezza viene eccitato dalla radiazione laser. A causa della differenza energetica tra la luce laser e la radiazione emessa dal materiale (cioè fluorescenza), il laser assorbe energia dal materiale sotto forma di calore e il materiale viene raffreddato.
Per anni il raffreddamento laser del vetro al quarzo è stato considerato impossibile. Ma nel 2019, il team ha dimostrato per la prima volta che il vetro al quarzo drogato con itterbio (Yb) poteva essere raffreddato da un laser. A quel tempo, poteva essere raffreddato solo di 0,7 Kelvin rispetto alla temperatura ambiente. Per andare oltre il precedente limite di raffreddamento, hanno ottimizzato il processo di preparazione del materiale drogato.
Di conseguenza, il team ha ottenuto un nuovo raffreddamento da record: irradiando barre di quarzo drogate con itterbio attraverso un laser con una potenza di 97 watt e una lunghezza d'onda di 1.032 nanometri, la temperatura è stata abbassata di 67 Kelvin rispetto alla temperatura ambiente.
Questo nuovo progresso potrebbe contribuire allo sviluppo futuro di laser estremamente stabili e amplificatori a basso rumore per misurazioni di precisione o esperimenti quantistici. Inoltre, il processo ottimizzato potrebbe far avanzare il raffreddamento senza vibrazioni, che potrebbe essere utile nell’analisi dei materiali e nella diagnostica medica con l’aiuto della microscopia criogenica e della spettroscopia di energia gamma.
Il materiale ha anche potenziali usi nelle fibre. In futuro, il nuovo processo potrebbe essere utilizzato per sviluppare laser a fibra ad alte prestazioni che superino lo svantaggio dell’instabilità termica.