La propagazione della luce nei materiali disordinati è un argomento di grande interesse per la comunità scientifica, poiché  non  solo  può  condurre ad  applicazioni concrete nel  campo  della fotonica e delle energie rinnovabili, ma permette ancora di svelare nuovi affascinanti fenomeni legati alla fisica delle onde. In questo ambito, a prestigiosa rivista Nature Photonics, nell’ultimo numero, ha pubblicato uno studio condotto da ricercatori di Unime , del Consiglio Nazionale delle Ricerche (IPCF-CNR Messina e IMM-CNR di Catania), delle Università di Pavia, Catania e Firenze e del Laboratorio Europeo per le Spettroscopie Non Lineari (LENS).
L’Università di Messina è rappresentata dalla prof.ssa Rosalba Saija, associato del Dipartimento di Scienze matematiche e informatiche, scienze fisiche e scienze della terra.
La ricerca, attraverso competenze diverse che spaziano  dall’ottica  alla  spettroscopia,  dalla  fotonica  dei  sistemi  complessi  alla  scienza  dei materiali, ha messo in luce un effetto fisico finora mai esplorato che dimostra la natura coerente della luce Raman. La ricerca, pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature Photonics,  pone le basi per un nuovo campo di ricerca legato ai sistemi fotonici complessi, che sfruttano non solo la luce diffusa elasticamente, ma anche quella diffusa anelasticamente (Raman) e quindi a lunghezze d’onda (cioè a colori) differenti rispetto alla sorgente di eccitazione.
“Una fitta foresta di sottilissimi fili di silicio disposti in modo disordinato, nella quale la luce rimbalza innumerevoli volte in modo casuale prima di poter fuoriuscire, è il materiale che ci ha permesso di osservare su scala macroscopica un effetto di coerenza tra onde luminose che avviene nell’infinitamente piccolo, nello spazio di pochi nanometri e nel tempo di una manciata di picosecondi”, spiegano Barbara Fazio (CNR-IPCF Messina), Matteo Galli (Università di Pavia), Francesco Priolo (MATIS IMM-CNR Catania) e Diederik Wiersma (Università di Firenze), che hanno condotto le ricerche nelle rispettive istituzioni. Si tratta del fenomeno di interferenza noto come  coherent  backscattering,  in   precedenza  osservato  e   studiato  solo   per   luce  diffusa elasticamente (scattering Rayleigh) ed ora dimostrato inaspettatamente anche per la diffusione anelastica (scattering Raman).
Il coherent backscattering è un fenomeno onnipresente in natura (dalle polveri di materiali semiconduttori alle sospensioni di micro-particelle come il latte o la nebbia), nel quale la coerenza tra le onde luminose diffuse dal mezzo disordinato sopravvive a molteplici “urti” casuali per dar luogo infine ad un massimo di interferenza nella direzione esatta di backscattering,  cioè  di  diffusione  all’indietro  verso  la  direzione  di  provenienza. 
Il  team  di ricercatori ha dimostrato che, contrariamente a quanto ci si aspetterebbe, questa evidenza sperimentale sopravvive anche quando si è in presenza di “urti” anelastici, come lo scattering Raman spontaneo, purché si conservi l’informazione ottica contenuta nell’onda propagante. In uno di questi urti (Raman) la luce cambia natura e lunghezza d’onda (cioè cambia colore), mantenendo però la coerenza necessaria affinché le onde Raman diffuse dal mezzo interferiscano fra loro.
Il fenomeno osservato, ovvero la comparsa di un massimo di interferenza nella direzione esatta di backscattering,  mette  perciò  in  evidenza  l’intrinseca  natura  coerente  dei  singoli  processi  di scattering della luce Raman, che usualmente si manifestano sotto forma di una diffusione globalmente incoerente.
Indizi sulla natura coerente dello scattering Raman erano stati finora osservati solo su scala nanoscopica, attraverso sofisticatissimi esperimenti effettuati in campo prossimo, o mediante tecniche risolte in tempo su scale ultraveloci. In questo caso i ricercatori non hanno avuto bisogno di ricorrere a tecniche ottiche particolarmente complesse, è bastato il connubio tra le peculiari proprietà strutturali di un nanomateriale basato su silicio (lo stesso materiale dei chip presenti nel nostro computer), un’accurata procedura sperimentale, ma soprattutto un efficace brainstorming ed una sinergia tra i gruppi di ricerca per svelare un nuovo ed inaspettato fenomeno nella diffusione delle onde luminose, che apre la strada verso nuove ed importanti scoperte.
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