Fabrizio Tamburini e la grande scoperta delle vorticità del campo elettromagnetico

La ricerca di Fabrizio Tamburini e del suo team che lavorano presso l’Università degli Studi di Padova è davvero innovativa e cambierà senza ombra di dubbio il nostro modo di fare comunicazione. Ma non solo: vi sarnno nuove applicazioni in campo medico e anche in ambito astronomico. Le onde elettromagnetiche non sono solo caratterizzate da una frequenza e da una polarizzazione, ma sono dotate di una proprietà nuova: la vorticità. Ne abbiamo già parlato in questo Blog nei mesi scorsi [1].

La vorticità di un’onda elettromagnetica fornisce molte informazioni sulla sorgente che l’ha generata ma nello stesso tempo può essere sfruttata come ulteriore canale per trasmettere informazioni, ad esempio nel campo delle telecomunicazioni.

“Stiamo costruendo delle antenne particolari che riescono a imprimere vorticità alle onde radio” ha affermato Tamburini, “quello che abbiamo in mente è di ottenere una trasmissione di tali onde su grandi distanze nel mondo reale, non più in laboratorio. In questo modo potremo trasmettere più canali sulla stessa frequenza, perché sfruttando i diversi gradi di vorticità di un’onda è come se avessimo diversi canali sui quali ricevere e trasmettere informazioni utilizzando solo una frequenza”.

La scoperta della vorticità ottica compiuta da Tamburini e dal suo gruppo ha avuto una dimostrazione visiva e pratica lo scorso 24 giugno 2011 in Piazza San Marco, intitolata “Onde Sulle Onde” [1]. L’esperimento è stato ideato da Fabrizio Tamburini con l’aiuto di Bo Thidé dell’Istituto di Fisica Spaziale Svedese di Uppsala e Visiting Professor CARIPARO della Scuola Galileiana di Studi Superiori a Padova fino alla fine di gennaio 2012.

In questa foto si vede la Torretta dell’Isola di San Giorgio che custodisce l’antenna parabolica “vorticosa” che ha permesso l’esperimento. Credit: Roberto Dabalà, Venezia, 24 giugno 2011. Qui sotto un ingrandimento.

Credit: Roberto Dabalà, Venezia, 24 giugno 2011.

La parte operativa sia della preparazione, studio e realizzazione del progetto che dell’assemblaggio della strumentazione sono stati resi possibili grazie alla stretta collaborazione del gruppo di lavoro composto dal Professor Filippo Romanato del Dipartimento di Fisica dell’Università di Padova e Direttore del Laboratorio LaNN (Laboratorio per la Nanofabbricazione di Nanodispositivi) di Venetonanotech che ha sostenuto e sponsorizzato l’esperimento e dove si sono svolte le prima prove di trasmissione, dal Professor Antonio Bianchini del Dipartimento di Astronomia di Padova, dalle Dottoresse Anna Sponselli ed Elettra Mari del Dipartimento di Astronomia e di Fisica dell’Università di Padova. A questo progetto ha collaborato anche Gabriele Anzolin ora all’ICFO a Barcellona.

“Il nostro non è solo un lavoro teorico ma anche fisico” afferma Tamburini. “Ad esempio, abbiamo modificato dei paraboloidi in acciaio piegandoli a martellate. Non è un lavoro tipico di un fisico però è divertente avere delle idee, sviluppare delle equazioni e poi alla fine vedere i risultati prendere forma in modo concreto nelle proprie mani”.

Quindi, “L’esperimento veneziano è un nuovo metodo per comunicare con le onde elettromagnetiche sfruttando le proprietà del campo elettromagnetico, come le vorticità e il momento angolare orbitale, e che permettono di creare una serie di canali su una stessa frequenza. Oltre alla classica sintonia orizzontale si può avere anche una sintonia verticale dando ampio spazio alle telecomunicazioni. ” conclude Tamburini.

Per generare un vortice elettromagnetico è stata realizzata, nei laboratori del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Padova, una speciale antenna parabolica “vorticosa” con la collaborazione del Professor Someda, del dottor Palmieri e del dottor Galtarossa.

L’esperimento riguarda l’applicazione del momento angolare orbitale alle telecomunicazioni. La trasmissione è avvenuta da una delle torrette dell’isola di San Giorgio Maggiore verso la Loggia di Palazzo Ducale. Il sistema era costituito da due trasmettitori e dalle loro relative antenne, sistema posizionato sulla Torretta di San Giorgio e dal sistema di ricezione collegato a due antenne nella Loggia di Palazzo Ducale.

Quello che alla fine si ottiene è la creazione di due canali su una stessa frequenza grazie all’utilizzo di una particolare antenna parabolica. Il segnale emesso da una apposita antenna, in pratica una parabola tagliata lungo un raggio, che viene quindi configurata come una spirale, non ha più la consueta forma del classico lobo di radiazione, bensì il campo elettromagnetico generato da questo sistema propaga con un andamento a spirale, come un cavatappi, generando quindi delle “onde vorticose” sul cui fronte di avanzamento sarà possibile discriminare i vari segnali sulla medesima frequenza semplicemente traslando l’antenna ricevente lungo un asse coincidente con quello del “vortice” prodotto, movimento che consente quindi di ricevere le diverse fasi. Con questa nuova scoperta è possibile trasmettere, su una stessa frequenza, più segnali con una sfasatura tale che possono essere discriminati in ricezione sintonizzando la fase, invece che la frequenza, come siamo soliti a fare. Alla fine, anziché sentire un unico suono, se ne avvertono due.

Ed quanto si è sentito a Venezia la sera del 24 giugno.

“L’esperimento nella sua essenza è abbastanza facile” ha affermato Filippo Romanato, che collabora da molto tempo con Fabrizio Tamburini su queste tematiche legate al campo elettromagnetico.

La luce non si propaga soltanto in maniera retta ma, come si è scoperto, ha degli “stati di vorticità” che comportano nuove possibilità di trasferimento di informazione anche molto complessa, come quella quantistica. Gli stati di vorticità sono identificati da numeri, chiamati numeri quantici che derivano dalla meccanica quantistica. Oggi per ogni frequenza e per ogni numero quantico di vorticità noi possiamo avere un canale di trasmissione. Per la prima volta il canale di trasmissione viene accoppiato con un momento quantico della luce. Questa è la novità dell’esperimento di Tamburini.

“Oggi tutte le tecniche di telecomunicazione radio e tv che utilizziamo sono basate sul fatto che un canale, quindi una trasmissione o un segnale, si basa su una frequenza. Una frequenza, dunque un canale. L’esperimento dimostra che ci possono essere più canali, quindi più trasmissioni per ogni frequenza. Ci sarà la possibilità di moltiplicare i canali per ogni frequenza. Questo comporterà che molta più informazione strutturata potrà essere trasferita”.

“Questo è un evento storico e gli eventi storici si definiscono così non solo perché saranno ricordati in futuro ma, perché è talmente tanto grande la loro portata che al presente non si riesce bene a comprenderla” ha continuato Romanato. “Però da questo esperimento abbiamo subito una cosa molto pratica: le frequenze su cui potremmo trasmettere trasmissioni radio, trasmissioni tv, digitali oppure no, saranno moltiplicate. Questo diminuirà i costi e aumenterà l’offerta. Avremo maggiori libertà di trasferimento di informazioni. E questa è una cosa che potremmo conoscere a breve”.

Oltre all’applicazione nell’ambito delle telecomunicazioni, e quindi la possibilità di trasmettere in un’ unica frequenza fino a 100 canali a differenza degli attuali 5 possibili con il digitale, ci saranno applicazioni anche nell’ambito della medicina con lo studio di cellule tumorali e nell’ambito della microscopia. Inoltre, le applicazioni nel campo dell’astronomia e dell’astrofisica saranno enormi, perchè permetteranno di osservare dei buchi neri rotanti e di capirne meglio la loro dinamica.

Il buco nero di M81, la Galassia di Andromeda, osservato da Chandra X Ray Observatory. Lo studio portato avanti da Tamburini e dal suo team permetterà di avere grandi informazioni anche sui buchi neri supermassicci al centro delle galassie di cui quello di M81 ne è solo un esempio. Credit: X-ray: NASA/CXC/Wisconsin/D.Pooley & CfA/A.Zezas; Optical: NASA/ESA/CfA/A.Zezas; UV: NASA/JPL-Caltech/CfA/J.Huchra et al.; IR: NASA/JPL-Caltech/CfA

Il lavoro teorico ha preso le mosse da alcune osservazioni e supposizioni fatte a suo tempo dal grande fisico Ettore Majorana, uno dei famosi “ragazzi di Via Panisperna”, collaboratori di Fermi, che le aveva espresse nel corso di studi sulla luce.

Tamburini ha sviluppato queste premesse, assieme al collega svedese Thidé, anche lui stava lavorando sullo stesso fenomeno, su ricerche sulla luce e sulle vorticità ottiche o, meglio, sul Momento Angolare Orbitale della luce.

Con Fabrizio Tamburini le idee si sono tradotte in progetti molto rapidamente, forse perchè la passione per le auto da corsa è sempre stata forte nel cuore di Fabrizio.

Fabrizio ha molta capacità inventiva, ma soprattutto una capacità di tradurre in concreto le idee. Riuscire a trasformare idee rapidamente in applicazioni, in dispositivi che possono avere un’utilità molto concrete nella nostra vita è davvero un meraviglioso risultato.

Sono davvero felice di avere la fortuna di conoscere Fabrizio personalmente.

STASERA PRESENTERO’ IL LAVORO DI FABRIZIO TAMBURINI E DEL SUO TEAM: “VORTICITA’ OTTICHE IN ASTRONOMIA” PRESSO L’OSSERVATORIO DEL GRUPPO ASTROFILI SALESE “GALILEO GALILEI” A SANTA MARIA DI SALA (VENEZIA), IN VIA G. FERRARIS, 1 IN ATTESA DELLA SUA VERA PRESENTAZIONE IN PROGRAMMA PER GIOVEDI’ PROSSIMO, 24 NOVEMBRE 2011 ALLE ORE 21 SEMPRE PRESSO LO STESSO OSSERVATORIO.

INFORMAZIONI PER PARTECIPARE ALLA CONFERENZA: CONTATTARE IL GRUPO ASTROFILI GALILEO GALILEI:

sito web: http://www.astrosalese.it/; Tel. 041- 48 65 55 / Cellulare (Presidente del Gruppo Astrofili Salese Tino Testolina): 340 34 50 274; indirizzo email: astrosalese@libero.it

Un ringraziamento speciale a Roberto Dabalà per la pubblicazione delle foto dell’evento veneziano.