WAFER DI SILICIO RIFINITI TRAMITE “ANNEALING”

Lenti per raggi X: sono migliori quelle ben cotte

Una nuova tecnica di lavorazione dei materiali messa a punto da un team di fisici giapponesi consente di produrre dispositivi ottici per raggi X ad alte prestazioni e dal peso estremamente contenuto. L’obiettivo è quello di abbattere il costo di lancio dei telescopi spaziali per le alte energie, ma la risoluzione angolare raggiunta, spiega Giovanni Pareschi a Media Inaf, non è ancora sufficiente per applicazioni in ambito astrofisico

     20/07/2022
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I raggi X in ingresso si riflettono sulle pareti interne delle fenditure incise lungo gli anelli concentrici, venendo così concentrati verso un unico punto. Crediti: Tokyo Metropolitan University

Ottiche leggerissime in grado di focalizzare i raggi X: è quanto promette una nuova tecnologia per la lavorazione del silicio messa a punto da un team guidato da ricercatori della Tokyo Metropolitan University. Sottoponendo wafer di silicio – opportunamente sagomati – a una lunga sequenza di cicli termici, detta in gergo “ricottura” (annealing, in inglese), si riuscirebbero infatti a ottenere dispositivi dalle prestazioni simili a quelle degli specchi attualmente in uso in alcuni telescopi spaziali ma con peso enormemente più contenuto, e dunque con un costo di lancio notevolmente inferiore.

Quella dei raggi X è, per chi studia i fenomeni più estremi dell’universo, una porzione cruciale dello spettro elettromagnetico. Nata grazie all’intuizione e il fondamentale apporto di Bruno Rossi e di Riccardo Giacconi, l’astronomia X richiede ottiche molto particolari: i cosiddetti specchi a incidenza radente, tecnologia nella quale l’Italia è leader. Specchi progettati in modo da essere in grado di riflettere onde estremamente penetranti quali, appunto, i raggi X. Al tempo stesso, i raggi X, al contrario della luce visibile, non sono però in grado d’attraversare l’atmosfera terrestre, rendendo così possibile osservare l’universo X solo dallo spazio – dunque con costi molto elevati e fortemente condizionati dalla massa dei telescopi. Massa che a sua volta è legata alla risoluzione angolare richiesta.

È qui che entra in gioco il nuovo approccio giapponese. Usando la tecnologia Mems (micro electro-mechanical System), il team guidato da Yuichiro Ezoe e Aoto Fukushima è riuscito a produrre ottiche X ad alte prestazioni da appena 10 kg per metro quadrato d’area effettiva – rispetto per esempio ai 600 kg per metro quadrato delle ottiche pur leggerissime d’un telescopio come Hitomi, lanciato nel 2016.

La rugosità delle pareti interne delle fenditure prima (in alto) e dopo (in basso) 150 ore di “ricottura”, a diverse scale di lunghezza (da sinistra a destra). Si può notare come la rugosità superficiale – qui misurata utilizzando la microscopia a forza atomica – risulti significativamente ridotta. Crediti: Tokyo Metropolitan University

La geometria del dispositivo che concentra i raggi X è quella detta Wolter-I, già comunemente adottata dai telescopi spaziali X: una serie concentrica di fenditure, simili agli anelli degli alberi, in grado di focalizzare i raggi X attraverso una serie riflessioni con angoli d’incidenza molto contenuti. La novità sta nel materiale adottato e nella tecnologia impiegata per lavorarlo: wafer di silicio dal disegno complesso, con fenditure di appena 20 nanometri, sottoposti a cicli di “ricottura” lunghissimi – fino a 150 ore – per far ridisporre gli atomi di silicio. In tal modo la rugosità delle pareti delle fenditure è diminuita drasticamente, migliorando progressivamente la risoluzione angolare dei dispositivi stessi, fino a 3.2 minuti d’arco.

«L’approccio proposto dai colleghi giapponesi», spiega a Media Inaf  Giovanni Pareschi, dirigente di ricerca dell’Inaf di Brera ed esperto di ottiche per telescopi per le alte energie, che abbiamo raggiunto per un commento, «è senz’altro molto interessante. Grazie alle tecnologie Mems potenzialmente sono realizzabili sistemi ottici radenti raggi X molto leggeri e sottili, simili alle lenti rifrattive che si usano in astronomia ottica, particolarmente adatti per osservazioni astronomiche da satellite. D’altra parte, malgrado i progressi ottenuti tramite l’annealing, la risoluzione angolare finora ottenuta (diversi minuti d’arco) è ancora insufficiente rispetto ai requisiti scientifici (alcune decine di secondi d’arco al massimo), al momento già ottenibili con le tecnologie di replica o polishing tradizionali».

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