Parlare di fotonica, optomeccanica quantistica e micro-risonatori ottici con Tobias Kippenberg significa parlare di luce, ma anche di bicchieri da vino, pettini e ruote di bicicletta. Di recente le sue scoperte gli hanno consentito di aggiudicarsi il premio Marcel Benoist 2025. Si tratta di ambiti di ricerca diventati cruciali nel panorama odierno della tecnologia, ma tuttavia ben lontani dall’enologia, dalla tricologia (studio dei capelli) o persino dal ciclismo! Anche se a dir la verità…
… è proprio grazie a una bicicletta che il quarantanovenne fisico tedesco scopre la sua vocazione per la scienza. Una mattina d’inverno a Brema, la città in cui è cresciuto, cade sull’asfalto a causa di un sottilissimo strato di «ghiaccio nero» trasparente privo di bolle d’aria, quasi invisibile, generato dalla condensazione del vapore acqueo nonostante la temperatura dell’aria non fosse così fredda. L’allora adolescente rimane attonito, sia per l’incidente che per la sua incapacità di ravvisare le condizioni stradali. A quel punto inizia a chiedersi come i conducenti dei veicoli a motore possano rendersi conto della presenza del ghiaccio sulla carreggiata, del resto non esistono dispositivi di questo tipo. Dopo aver letto un annuncio dedicato a un concorso per giovani scienziati («Jugend forscht»), decide di dedicare un po’ di tempo alla questione e si iscrive. Inizia a fare ricerche e a consultare la letteratura scientifica che descrive lo studio dei ghiacciai tramite i satelliti, si rivolge ad aziende locali che gli forniscono il materiale necessario e, grazie alla sua passione per la programmazione, inventa uno strumento sperimentale in grado di rilevare il ghiaccio nero utilizzando microonde e infrarossi. Si aggiudica il concorso organizzato in Germania e successivamente vince anche il premio equivalente su scala europea! A questo punto gli appare chiaro quale sarebbe stato il suo percorso.
Come i motociclisti al circo
Dopo aver conseguito la laurea sia in fisica sia in ingegneria elettrica presso l’università di Aquisgrana, «Volevo incentrare il mio lavoro sulle interdipendenze tra la fisica e l’ingegneria», afferma. Invia la propria candidatura a diverse università e viene selezionato dal prestigioso California Institute of Technology (Caltech), che gli assegna anche una borsa di studio. Una volta conseguito il master, si dedica al dottorato, «Per il quale dovevo scegliere un argomento. Grazie a un suggerimento di colui che diventerà il mio futuro consulente, Kerry Vahala, mi sono appassionato a un campo poco battuto all’epoca, quello dei micro-risonatori ottici». Si tratta di microscopiche sfere di vetro in cui le particelle di luce, i fotoni, possono essere intrappolate e muoversi in loop, un po’ come i motociclisti in quelle grandi sfere d’acciaio che si vedono al circo.
«Volevo incentrare il mio lavoro sulle interdipendenze tra la fisica e l’ingegneria.»
Tobias Kippenberg inizia a studiare queste particelle e soprattutto a crearne di un altro tipo: non sono sfere, bensì anelli di vetro simili a uno pneumatico di bicicletta, con un diametro di 30 micrometri ciascuno, ossia tre volte inferiore a quello di un capello umano. Qualche tempo dopo arriva il momento della sua prima grande scoperta: quando la luce di un laser viene iniettata in maniera tangenziale in questo oggetto trasparente a forma di anello, inizia a fare fino a un milione di giri, rimbalzando incessantemente sulle pareti curve del corpo circolare in questione. In tal modo, i fotoni esercitano una pressione su di esse, chiamata «pressione di radiazione», che può diventare sufficientemente forte da far vibrare l’anello; in altre parole la luce genera un effetto meccanico.
Per spiegare tutto questo, a Tobias Kippenberg piace fare un’analogia con un bicchiere di vino: «Quando si passa un dito bagnato lungo il bordo, questo contatto amplifica la vibrazione del bicchiere fino a permetterci di sentirne il suono. Nei nostri esperimenti, la luce è il dito e amplifica la vibrazione meccanica dell’anello, che può anche essere misurata», da cui il nome di micro-risonatore assegnato a questo oggetto. Stiamo parlando di ricerche effettuate durante il suo post-dottorato al Caltech e successivamente in Germania in veste di ricercatore indipendente presso l’Istituto Max Planck, grazie alle quali è stato istituito il settore dell’optomeccanica quantistica; i risultati del suo operato sono stati poi pubblicati in svariati articoli, tuttavia l’artefice ne attribuisce il buon esito soprattutto alla fortuna o alla capacità di fare per caso scoperte inattese e produttive.
«Nei nostri esperimenti, la luce è il dito e amplifica la vibrazione meccanica dell’anello, che può anche essere misurata.»
«Per caso mi è capitato tra le mani un libro del fisico russo Vladimir Braginsky, che parlava dell’effetto della riflessione dei raggi laser sugli specchi di strumenti chiamati interferometri». Era il 1969 e Braginsky stava lavorando a dei progetti per realizzare i futuri rivelatori di onde gravitazionali, che avrebbero richiesto sistemi ottici altamente sofisticati. In questo contesto, lo studioso ha ipotizzato che la «pressione di radiazione» creata dai laser possa produrre una staratura di tali sistemi, amplificando le vibrazioni meccaniche degli specchi. «In effetti, a livello teorico ogni aspetto era già descritto nel suo libro», ricorda Tobias Kippenberg. «Io poi ho osservato questo fenomeno meccanico sui nostri risonatori ad anello. Non restava che accostare l’aspetto empirico alla teoria o unire i puntini, come si suol dire». Il giovane fisico tedesco è stato quindi in grado di osservare una previsione di Braginsky risalente a quasi 50 anni prima, nota come «retroazione dinamica».
Eureka! Un anno da incorniciare.
Ma c’è di più: nel 2006 Tobias Kippenberg riesce a dimostrare anche l’effetto opposto. Se iniettata nell’anello e poi fatta fuoriuscire, la luce laser convoglia una certa quantità di energia, che induce un fenomeno opposto all’amplificazione delle vibrazioni, riducendole drasticamente fino quasi a «pietrificare» (o «raffreddare» come dicono gli addetti ai lavori) il micro-risonatore di vetro. Del resto, anche Braginsky aveva menzionato brevemente questo comportamento nel suo libro.
«Ho sempre tenuto a mente le parole del famoso fisico Richard Feynman, secondo il quale la persona più facile da ingannare siamo proprio noi stessi.»
Stiamo quindi parlando di risultati davvero notevoli sotto tutti i punti di vista, ma il nostro studioso parlerebbe di un «momento eureka»? «Magari di un’annata eureka, perché tutto ciò è avvenuto in un determinato periodo. Ho sempre tenuto a mente le parole del famoso fisico Richard Feynman, secondo il quale la persona più facile da ingannare siamo proprio noi stessi. Anche perché dovevamo dimostrare che non erano gli effetti indotti dal calore della luce a generare ciò che stavamo osservando, bensì la «pressione di radiazione», una proprietà puramente meccanica. Gli esperimenti futuri avrebbero presto messo fine a questo dibattito rendendo tale campo di ricerca ancora più appassionante.
Una camera bianca di alto livello
E infatti si tratta di uno degli interessi personali che Tobias Kippenberg ha avuto modo di approfondire in Svizzera, dal momento in cui inizia a lavorare al Politecnico federale di Losanna (EPFL) nel 2008, trasferendovi poi anche il suo laboratorio dall’Istituto Max Planck nel 2010. «Oltre all’eccellenza dei due politecnici federali riconosciuta in ambito internazionale e ad altri fattori come la stabilità e la sicurezza della Svizzera in svariati settori, sono due i motivi per cui ho scelto di trasferirmi qui: da una parte la qualità della camera bianca, questo laboratorio privo di polvere all’interno del quale sapevo che avrei potuto realizzare le tecnologie che mi interessavano.
Dall’altra il fatto che il Politecnico federale di Losanna è una delle poche università in Europa ad aver introdotto, sotto l’egida dell’ex presidente Patrick Aebischer, un sistema di «tenure track», che consente di reclutare personale accademico per un periodo di alcuni anni, al termine del quale si ha la possibilità di diventare professori ordinari, titolo conferito a Tobias Kippenberg nel 2013.
La meccanica quantistica afferma che una particella può trovarsi in più luoghi e in più stati contemporaneamente.
È in questo contesto che lui e il suo team pubblicano sulla prestigiosa rivista Nature un articolo di rilievo, per dimostrare che la natura quantistica della luce laser iniettata nei suoi micro-risonatori può essere accoppiata a quella delle vibrazioni indotte. Per realizzare pienamente la portata di questa scoperta, dobbiamo tenere presente alcuni sbalorditivi principi della fisica quantistica: ad esempio, due fotoni distanti centinaia di metri possono reagire simultaneamente anche se solo uno di essi viene manipolato, come se fossero uniti da un legame invisibile, in tal caso si asserisce che sono correlati l’uno all’altro. Più precisamente la meccanica quantistica afferma che una particella può trovarsi in più luoghi e in più stati contemporaneamente, si tratta del «principio di sovrapposizione»! Sono proprietà davvero incredibili che si applicano in linea di principio solo al mondo dell’infinitamente piccolo, ma che scompaiono quando consideriamo oggetti più grandi e classici come questi risonatori ad anello. Nel contesto in questione le loro vibrazioni diventano soggette alle leggi della meccanica quantistica, un fenomeno davvero sorprendente!
Pettini di frequenza ottici
In definitiva, Tobias Kippenberg ha dimostrato che la luce descritta dalla fisica quantistica può indurre effetti meccanici stupefacenti e al contempo utili: uno dei settori che ha contributo a sviluppare è quello del raffreddamento laser, con il quale si possono creare sensori in grado di misurare i movimenti con una precisione incredibile, da dieci a mille volte superiore a quella garantita dal diametro di un protone.
«Ovviamente per me è un grande onore, ma siccome la pensione è ancora molto lontana, questa soddisfazione non intacca la mia curiosità…»
Tutte queste scoperte hanno dato un enorme impulso alla ricerca di base nel campo dell’optomeccanica quantistica, rendendo Tobias Kippenberg uno scienziato molto citato dai suoi colleghi, una figura estremamente richiesta da vari istituti scientifici (la National Academy of Engineering negli Stati Uniti e la Leopoldina in Germania) nonché il vincitore di prestigiosi riconoscimenti, quali borse di studio del Consiglio europeo della ricerca (ERC), lo ZEISS Research Award o il premio nazionale Latsis nel 2014. E ora è la volta del premio Marcel Benoist: «Ovviamente per me è un grande onore, ma siccome la pensione è ancora molto lontana, questa soddisfazione non intacca la mia curiosità…». D’altra parte, fin dai tempi del dottorato ha indirizzato il suo operato verso un altro promettente settore della ricerca: quello dei pettini di frequenza ottici.
Si tratta di un utilizzo estremamente specifico di un laser a luce pulsata la cui frequenza viene suddivisa, mediante un dispositivo tecnico, in una sequenza di raggi di frequenze equidistanti. Visivamente possiamo immaginarci un raggio laser che passa attraverso questo dispositivo e ne esce sotto forma di righe luminose equidistanti (dal momento che ognuna è caratterizzata da una frequenza diversa), proprio come i denti di un pettine per capelli. In virtù della sua natura metrologica, questa struttura spettrale può essere utilizzata come un righello per effettuare misurazioni in varie applicazioni ottiche.
In seguito alla scoperta di questi pettini di frequenza ottici, l’americano John L. Hall e il tedesco Theodor W. Hänsch vincono il premio Nobel per la fisica 2005. «Ecco, quando sono arrivato in Germania, ho lavorato proprio con lui», racconta Tobias Kippenberg. «Come era avvenuto al Caltech con la scoperta degli scritti del fisico russo, ho avuto ancora una volta la fortuna di trovarmi nel posto giusto al momento giusto, per consolidare un’altra osservazione che avevamo fatto con i nostri micro-risonatori a forma circolare». Nello specifico anche la luce laser che ne esce assomiglia a una successione di raggi luminosi! Pure in questo caso si trattava di un perfetto pettine di frequenza ottico? «Siamo riusciti a dimostrare che era proprio così», afferma il fisico. Ma in più vantava un enorme vantaggio: mentre il dispositivo inventato da Theodor Hänsch per produrre questi pettini richiedeva tutta una serie di apparecchiature ottiche e molta energia, quello di Tobias Kippenberg si inserisce in una microstruttura a forma di pneumatico più piccola di un capello!
E in più, la ciliegina sulla torta: il suo team è riuscito a spiegare questo fenomeno servendosi di esperimenti che rientrano nella ricerca fondamentale. Le vibrazioni del micro-risonatore, indotte dal laser incidente, vengono nuovamente trasformate in luce uscendo. «Ma nel frattempo questa luce si è organizzata in modo non lineare», spiega lo studioso. La luce che esce non è più continua, come quando entra nell’anello, bensì viene convertita in impulsi molto brevi, come una sorta di palline luminose, note come «solitoni dissipativi». È questo fenomeno che genera i pettini di frequenza ottici su scala micrometrica.
Applicazioni concrete
Nel giro di poco tempo è stato possibile identificare il loro potenziale in termini di applicazione in maniera estremamente concreta: sia nelle comunicazioni ottiche, durante le quali diversi flussi di luce che trasportano informazioni a frequenze simili, seppur diverse, possono viaggiare nella stessa fibra ottica; sia in astronomia, per calibrare gli strumenti spettrometrici utilizzati per analizzare la luce degli esopianeti, ossia i corpi celesti situati al di fuori del nostro sistema solare. Ma anche nello sviluppo di nuove architetture informatiche dette «neuromorfiche», che riproducono il funzionamento simultaneo e altamente plastico di miliardi di neuroni e accelerano la potenza di calcolo.
«In effetti, sono tutti principi fisici che esistono in natura e che abbiamo semplicemente potuto osservare. È qualcosa di bello e affascinante!»
Tornando con la mente a tutte queste scoperte, Tobias Kippenberg ricorda un consiglio datogli da uno dei suoi relatori di tesi al Caltech, il professore israeliano Amnon Yariv, mentre stava pensando a che direzione imprimere alla sua carriera scientifica: «Quando scegli di fare qualcosa, fai qualcosa di molto bello. O di molto utile! Ma non una via di mezzo!». Lo studioso tedesco ritiene di essersi avvicinato molto a questo aspetto estetico: «In effetti, questo connubio tra il mondo della fisica classica e quello della fisica quantistica, questi solitoni, questi pettini di frequenza ottici sono tutti principi fisici che esistono in natura e che abbiamo semplicemente potuto osservare. È qualcosa di bello e affascinante!».
Anche per quanto riguarda il fattore dell’utilità in relazione alle sue ricerche, l’obiettivo è stato sicuramente conseguito: Tobias Kippenberg, anche grazie al conferimento del premio Latsis, ha contribuito alla fondazione di una start-up la cui attività è basata sulle sue scoperte, la LIGENTEC SA, che oggi dà lavoro a circa una settantina di persone dislocate tra il campus dell’EPFL e la Francia. «All’inizio volevamo solo commercializzare questi pettini di frequenza», spiega. «Ma ci siamo resi conto che l’ambito di applicazione dei nostri circuiti fotonici integrati di nuova generazione, che consumano pochissima energia, era molto più ampio!». A tal punto che il professore vorrebbe ora ampliare ulteriormente la gamma di competenze del suo gruppo di ricerca, anche se a volte fatica a trovare i finanziamenti necessari: «La Svizzera fa grandi sforzi per sostenere il settore scientifico», sottolinea, «Ma si attiva principalmente patrocinando progetti ed erogando un consistente finanziamento di base. Tuttavia, per dare atto a una vera trasformazione del sistema, bisognerebbe poter finanziare direttamente le persone per un certo periodo di tempo con una cospicua somma di denaro e formulando una valutazione finale, come è prassi negli Stati Uniti, in particolare presso l’Howard Hughes Medical Institute (HHMI), un programma che ha riscosso un successo sorprendente». Secondo il ricercatore tedesco, in Europa i sistemi di finanziamento esistenti richiedono agli scienziati di ottenere diversi sussidi per vari progetti, un po’ come le perle di una collana, al fine di dispiegare sforzi su larga scala. In Svizzera, un programma simile all’HHMI potrebbe fungere da catalizzatore in termini di eccellenza della ricerca», afferma, «In particolare in settori molto dispendiosi e che richiedono team più numerosi». Contribuirebbe inoltre a trasformare in reali vantaggi industriali il potenziale di innovazione grazie al quale la Svizzera si colloca spesso ai primi posti delle classifiche internazionali. Tobias Kippenberg spiega che circa tre quarti dei fondi utilizzati dal suo gruppo provengono dagli Stati Uniti o dall’Europa; senza questi capitali stranieri non sarebbe possibile portare avanti il suo lavoro di ricerca, in particolare quello sui circuiti fotonici integrati.
L’importanza dell’Europa nell’ambito della ricerca
Il fisico tedesco ripensa con un certo trasporto anche alle circostanze che hanno portato alla temporanea esclusione degli scienziati attivi in Svizzera dai programmi di ricerca europei, come Orizzonte e Quantum Flagship. «Si tratta di un episodio che ha lasciato il segno nel mio laboratorio», dice. Nelo specifico, ho perso un progetto che seguivamo come coordinatori, oltre a molte altre opportunità di finanziamento nel campo della scienza e della tecnologia quantistica. Le misure finanziarie messe rapidamente in atto dal Fondo nazionale svizzero (FNS) hanno sicuramente sortito effetti positivi, ma non hanno compensato le perdite sul lungo periodo». Nel 2020 ha dichiarato allarivista online di respiro europeo Science|Business che non escludeva l’eventualità di lasciare la Svizzera, se non si fosse trovata una soluzione. Ma gli sarebbe dispiaciuto molto non poter più praticare i suoi passatempi preferiti sul suolo elvetico: le escursioni in montagna e in bicicletta, soprattutto lungo i tornanti degli innumerevoli passi alpini.
«Fatevi guidare dai vostri interessi nella vita professionale, ma non aspettatevi che sia facile!»
Oggi, nel 2025, la situazione è migliorata: gli scienziati che lavorano in Svizzera hanno riacquisito l’accesso alla maggior parte dei programmi europei, anche se non a tutti. Per il momento è una situazione rassicurante per Tobias Kippenberg, che abita a pochi minuti a piedi dal campus dell’EPFL insieme alla moglie (anche lei svolge il ruolo di ricercatrice presso il medesimo istituto) e ai loro due figli, di quattro e un anno. «È un’opportunità», ci confida, tenendo sempre a mente il motto che spera di inculcare nei suoi figli: «Fatevi guidare dai vostri interessi nella vita professionale, ma non aspettatevi che sia facile!».
