Fotocamera da lab: 11 fotogrammi dai femtosecondi ai nanosecondi

Un impulso laser colpisce un campione di vetro. Nei primi 100 femtosecondi, il materiale comincia a cambiare. Entro 10 nanosecondi, onde d'urto lo attraversano e parte del materiale viene espulsa. In un esperimento di laboratorio riportato sulla rivista Optica, un team dell'Università di Tokyo ha catturato l'intera sequenza in 11 fotogrammi, con un solo scatto.

La fotografia ultraveloce convenzionale lavora su scale temporali di microsecondi (milionesimi di secondo) e millisecondi (millesimi di secondo) e scatta le immagini a intervalli uniformi o quasi uniformi. Questo si adatta a eventi che si svolgono in modo costante. Non coglie però i momenti in cui un processo cambia più rapidamente, perché non tutti i cambiamenti importanti avvengono a intervalli ben distanziati.

Il team, guidato dal professor associato Keiichi Nakagawa del Dipartimento di Bioingegneria, concentra i propri fotogrammi dove il cambiamento è più rapido. Il suo metodo, chiamato fotografia ultraveloce logaritmica, colloca i fotogrammi ravvicinati nelle fasi iniziali e più distanziati in seguito. È realizzato con STAMP (sequentially timed all-optical mapping photography) e utilizza BRIDGE (band-resolved individual delay generation), che estrae una banda di lunghezze d'onda alla volta e permette di temporizzare ciascuna banda in modo indipendente, mantenendola associata a un istante preciso del processo. Il risultato sono 11 fotogrammi che coprono circa cinque ordini di grandezza nel tempo, da circa 100 femtosecondi a 10 nanosecondi. Keitaro Shimada, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Nakagawa e primo autore, ha riassunto così l'obiettivo: «Volevamo trovare un modo per collegare scale temporali così diverse in un'unica misurazione».

Per i ricercatori in lavorazione laser, scienza dei materiali, ricerca su plasma e onde d'urto e biomedicina, il vantaggio sta negli eventi difficili da ripetere esattamente. Nakagawa sostiene che «registrare le fasi iniziali e successive dello stesso evento può rivelare relazioni che potrebbero andare perse quando una sequenza viene ricostruita da esperimenti separati». Il team propone questi campi come principali ambiti di utilizzo. Si tratta però ancora di proposte: la dimostrazione riguarda vetro e idrossiapatite, il minerale di ossa e denti, e non è indicata alcuna data per un utilizzo al di fuori del laboratorio.

I limiti sono concreti. Ogni misurazione richiede un solo scatto, quindi ogni evento produce, con questa configurazione, una sola sequenza di 11 fotogrammi. Le fonti consultate non indicano la risoluzione delle immagini, il costo dell'attrezzatura né il suo ingombro, elementi che determineranno quanto lontano il metodo potrà uscire dai laboratori specializzati.