RISULTATO OTTENUTO ALLA NANYANG TECHNOLOGICAL UNIVERSITY DI SINGAPORE

Tecnologia per rivelatori Cherenkov miniaturizzati

La scoperta di un nuovo tipo di radiazione a elettroni liberi, prodotta dall’interazione tra particelle cariche veloci e le cosiddette onde di superficie di Dyakonov, e molto sensibile sia alla traiettoria delle particelle che alla loro velocità, apre la strada allo sviluppo di rivelatori Cherenkov in miniatura su chip

     07/01/2022
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Animazione del meccanismo d’emissione Cherenkov. Crediti: H. Seldon/Wikimedia Commons

Osservata per la prima volta nel 1934 dal fisico sovietico Pavel Alekseyevich Cherenkov, la radiazione omonima è stata ampiamente studiata e impiegata in molti campi di ricerca. È la radiazione emessa quando una particella carica si muove con una velocità superiore alla velocità di fase della luce nel mezzo che sta attraversando.

Tra le numerose applicazioni, la più importante riguarda la rivelazione di particelle ad alta energia. Molte importanti scoperte – in campo astrofisico ma soprattutto nell’ambito delle particelle elementari, come per esempio quella dell’antiprotone – sono state compiute dagli scienziati proprio avvalendosi della radiazione Cherenkov. E per le sue applicazioni sono stati assegnati almeno sei premi Nobel per la fisica: nel 1958, 1959, 1988, 1995, 2002 e 2015.

Ampiamente utilizzati nella fisica delle particelle e delle alte energie, le applicazioni dei rivelatori Cherenkov in campi di ricerca innovativi sono però ostacolate dalle loro dimensioni ingombranti. La realizzazione di rivelatori di particelle Cherenkov miniaturizzati consentirebbe di ovviare a questo problema. Secondo un nuovo studio, condotto da un gruppo di ricerca guidato da Yu Luo della Nanyang Technological University (Ntu) di Singapore, le onde superficiali che si propagano all’interfaccia di due diversi materiali potrebbero fornire una soluzione.

In alto a sinistra, schema dell’emissione della radiazione superficiale di Dyakonov-Cherenkov. Negli altri riquadri, diagrammi di campo della radiazione di Cherenkov con onde di superficie di Dyakonov (in alto a destra) e senza (in basso). Crediti: Hao Hu, Xiao Lin, Yu Luo

Generalmente, si distinguono due classi di onde superficiali: i plasmoni di superficie che si propagano lungo l’interfaccia metallo-dielettrica, e le onde superficiali di Dyakonov, che si propagano lungo la superficie di un materiale birifrangente. Sebbene di recente i plasmoni di superficie siano stati impiegati con successo per amplificare la radiazione Cherenkov, progettare e realizzare un rivelatore Cherenkov miniaturizzato con plasmoni di superficie rappresenta ancora una sfida, principalmente a causa delle non trascurabili perdite dovute alla dissipazione e della forte dispersione cromatica, che pone limiti intrinseci alla banda passante dei rivelatori. Nel caso delle onde di superficie di Dyakonov, invece, le perdite di dissipazione sono trascurabili e la dispersione cromatica è debole. Nonostante questi vantaggi, le loro applicazioni sono state finora limitate dalla mancanza di un efficiente meccanismo di eccitazione.

Quello ora scoperto alla Ntu è un nuovo tipo di radiazione a elettroni liberi, la radiazione di superficie di Dyakonov-Cherenkov: è l’emissione di onde di superficie di Dyakonov dovute a una particella carica veloce che si muove sopra un cristallo birifrangente. Si tratta di un tipo di radiazione Cherenkov altamente suscettibile sia alla velocità che alla traiettoria delle particelle. Migliorando significativamente l’emissione di fotoni, le onde di superficie di Dyakonov consentono di ridurre la lunghezza dell’interazione della particella carica con il materiale. Inoltre, grazie alla trascurabile perdita dovuta alla dissipazione e alla debole dispersione cromatica, i fotoni emessi possono essere facilmente raccolti nel far field. Caratteristiche dunque promettenti per l’implementazione di rilevatori miniaturizzati su chip.

Dulcis in fundo: come già accennato, la radiazione di superficie di Dyakonov-Cherenkov è emessa solo quando la traiettoria della particella cade in prossimità di una particolare direzione. Questa proprietà, dovuta alla natura direzionale delle onde di superficie di Dyakonov, consente di ricostruire la traiettoria delle particelle con una precisione fino a 10 milliradianti, vale a dire poco più di mezzo grado.

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