A vederla sembra una comunissima lampadina. E invece nasconde al suo interno una piccola meraviglia che non solo potrebbe un giorno portare a un più efficiente utilizzo dei motori elettrici, ma addirittura al suo esordio ha lasciato di stucco gli stessi fisici che la hanno realizzata, rimettendo in causa una legge fisica già consolidata da circa 100 anni. La “meraviglia” si nasconde all’interno, e sostituisce il comune filamento solido di tungsteno. Al suo posto il fisico Shawn Lin e il suo team di collaboratori presso i Sandia National Laboratories hanno messo infatti dei reticoli di tungsteno sovrapposti chiamati cristalli fotonici. Un cambiamento apparentemente minimo, non visibile a occhio nudo, ma che permette l’emissione di quantità molto maggiori di energia, da 4 a 10 volte superiori, nelle frequenze vicine all’infrarosso, rispetto alle previsioni dettate da una relazione scoperta da Max Planck, il fondatore della fisica moderna, la cosiddetta “legge del corpo nero”. Una tale sorgente di energia potrebbe essere utilizzata per migliorare notevolmente il rendimento di motori e generatori elettrici.Ma vediamo di cosa si tratta: anziché un lungo cilindro pieno, il nuovo filamento ha l’aspetto di un tubo fatto di tanti bastoncini di tungsteno, ciascuno del diametro di mezzo micron, disposti a strati: lungo ogni strato i bastoncini sono allineati parallelamente a una distanza di 1,5 micron l’uno dall’altro, e i vari strati sono posti poi l’uno sull’altro in modo che i bastoncini di ciascun livello siano perpendicolari a quelli del successivo, a formare una griglia.In un primo momento Lin e i suoi colleghi dei laboratori Sandia, Jim Fleming, Jim Moreno e Ihab El-Kady, hanno riversato la loro attenzione sui filamenti a cristalli fotonici per la loro particolarità di deviare la luce senza disperdere energia, permettendo così un miglioramento nei costi e nell’efficienza della trasmissione di certi dati o nella costruzione di sensori. Ma il team di fisici ha anche notato che il nuovo tipo di filamento di tungsteno, quando “scaldato” – ovvero “bombardato” con radiazione elettromagnetica su certe frequenze ottimali – emette energia elettromagnetica su frequenze infrarosse molto vicine al visibile. Questo significherebbe che, ottimizzando i parametri del reticolo quali per esempio la distanza dei “bastoncini”, le dimensioni, ecc, si possa arrivare a realizzare filamenti che emettono nel visibile. Fra le possibili applicazioni si pensa al riutilizzo dell’energia dispersa in calore dai motori elettrici. Tali generatori infatti hanno una bassa efficienza perché dissipano molta energia sotto forma di calore; questo calore potrebbe invece essere assorbito dai reticoli di tungsteno per ottenere nuova energia che altrimenti andrebbe persa.Ma che ne è della legge del corpo nero di Planck? Il paradosso è in realtà solo apparente: mentre il filamento solido di tungsteno rientra nella categoria di “corpo nero”, ovvero un corpo in grado di assorbire radiazioni in modo “ideale”, non altrettanto si può dire del suo sostituto ai cristalli fotonici. Il reticolo infatti assoggetta l’energia che passa attraverso le sue cavità a interazioni di tipo fotone-tungsteno molto più complesse di quanto Planck stesso avrebbe potuto immaginare. In altre parole, questi reticoli formano una nuova classe di corpi emettitori per i quali la legge del corpo nero non è più valida. Una delle leggi alla base della fisica quantistica è dunque salva. Restano però altri punti da risolvere, come spiega Neal Singer, del Sandia National Laboratories: “Alcuni scienziati, legati all’idea che in ogni processo fisico vi è un degrado, ovvero una perdita, di energia, non accettano l’idea che le lunghezze d’onda del tungsteno, che normalmente emette su frequenze infrarosse, possano essere spostate su bande più corte (che dunque trasportano maggiori quantità di energia) e dunque visibili. Questo sembra contraddire il principio secondo cui il “disordine” dell’Universo (ovvero l’entropia) va crescendo. In realtà non è che certe lunghezze d’onda vengono emesse e quindi successivamente accorciate, ma piuttosto è il reticolo che viene costruito con caratteristiche tali da permettere soltanto lunghezze d’onda più corte in uscita”.Già Edison più di 100 anni fa dimostrò che il tungsteno è il metallo che può sopportare al meglio il calore generato da una lampadina elettrica. Come scrivono i ricercatori presentando il loro lavoro su Optics Letters e Applied Physical Letters, sostituendo il filamento solido con quello a cristalli fotonici si potrà migliorare ulteriormente un’invenzione che ha già rivoluzionato la vita di molti.
