Il nuovo amplificatore sviluppato al Caltech (Peter Day)
Per chi pensa che l’astrofisica non abbia ricadute pratiche, è il caso di dare un’occhiata all’ultimo numero di Nature Physics. Dove un gruppo di ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) e del Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA descrivono un nuovo tipo di amplificatore, sviluppato per studiare anche la più debole radiazione elettromagnetica proveniente da sorgenti cosmiche, ma che potrebbe avere applicazioni nei campi più disparati. Tutti quelli in cui è necessario misurare e manipolare un segnale elettrico estremamente debole.
La ricerca, coordinata da Jonas Zmuidzinas, Professore di Fisica al Caltech e chief technologist al JPL, è partita dai limiti degli attuali amplificatori. Un amplificatore è un circuito elettrico che riceve un segnale in entrata, e ne restituisce in uscita uno con la stessa frequenza ma potenza maggiore, che può essere più facilmente analizzato o riprodotto. È quanto fa l’amplificatore di un qualunque apparecchio radiofonico, che potenzia il debole segnale captato dall’antenna fino a renderlo abbastanza potente da mettere in vibrazione gli altoparlanti. I normali amplificatori a transistor presenti su molti apparecchi elettronici lavorano bene su una ampia gamma di frequenze, ma quando devono operare su segnali molto, molto deboli (per dire: i segnali radio provenienti da galassie distanti) introducono troppo rumore di fondo, che rende l’analisi scientifica difficile se non impossibile. Limiti in parte superati da un altro tipo di amplificatore, quello parametrico, che amplifica il segnale desiderato prendendo energia da un altro segnale, detto “di pompaggio” (il processo è fisicamente simile a quello di un bambino su un altalena, che aumenta l’ampiezza delle sue oscillazioni distendendosi e raccogliendosi mentre dondola). Questi amplificatori, usati spesso in campo scientifico, hanno poco rumore di fondo, ma funzionano solo su una gamma ristretta di frequenze.
Zmuidzinas e colleghi hanno creato un amplificatore che raccoglie il meglio dei due modelli. È parametrico e tiene il rumore di fondo al minimo, ha una gamma di frequenza dieci volte più ampia di qualunque amplificatore attuale, e può amplificare anche i segnali più deboli con pochissima distorsione. Il segreto è il materiale di cui è composto, un superconduttore (ovvero un materiale che a basse temperature lascia passare la corrente elettrica praticamente senza resistenza) chiamato nitruro di niobio e titanio, avvolto in una doppia spirale del diametro di 16 millimetri.
Il nuovo amplificatore è stato sviluppato tenendo in mente le esigenze degli astrofisici. In particolare, spiegano i membri del team, potrà servire ad amplificare i segnali nella banda delle microonde (per cui è stato ottimizzato), dalla radiazione cosmica di fondo alle emissioni provenienti dalle regioni di formazione stellare. Con piccole modifiche l’amplificatore può funzionare anche per onde radio e raggi X. I primi astronomi a testarlo saranno quelli dell’Owens Valley Radio Observatory (OVRO) gestito dal Caltech a Bishop in California. Ma le applicazioni sono potenzialmente infinite e vanno ben oltre l’astronomia, spiega Zmuidzinas, che pensa tra l’altro ai computer quantistici. Il dispositivo è infatti talmente efficiente e sensibile che permette di amplificare e controllare anche i fenomeni al confine tra fisica classica e meccanica quantistica, come quelli che avverrebbero in un (per ora ipotetico) computer quantistico.
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