Da Roma Tre a New York, Andrea Alù ha costruito un percorso scientifico dedicato allo studio delle onde e dei materiali capaci di modificarne il comportamento. Oggi è Distinguished Professor ed Einstein Professor of Physics al CUNY Graduate Center e dirige la Photonics Initiative del CUNY Advanced Science Research Center, ad Harlem. Qui guida un gruppo di ricerca che studia i metamateriali e le loro possibili applicazioni, dalle comunicazioni wireless all’ottica e all’acustica. Alù è anche Chair del Consiglio Scientifico di ISSNAF, la fondazione degli scienziati e studiosi italiani in Nord America nata nel 2007 sotto il patrocinio dell’Ambasciata d’Italia.
Lo abbiamo intervistato sui motivi che lo hanno portato a New York, sulle ricerche in corso, dalle comunicazioni wireless all’acustica, sul ruolo degli scienziati italiani all’estero e anche sul suo studio più noto al grande pubblico, il mantello dell’invisibilità, che oggi considera una parte minore di un lavoro molto più a ampio raggio.
La Sua formazione parte da Roma Tre e prosegue negli Stati Uniti, tra UPenn e Austin, fino alla guida del polo di ricerca a New York. Quali opportunità scientifiche e prospettive di ricerca l’hanno spinta a scegliere New York per questo salto di scala?
Ho studiato a Roma e poi mi sono spostato negli Stati Uniti. Collaboravo con la University of Pennsylvania, a Philadelphia da qualche anno prima di trasferirmi. Poi ho fatto un postdoc a Philadelphia e sono diventato professore ad Austin. In Texas mi sono trovato molto bene: la scuola è una delle migliori in ingegneria e lì sono cresciuto molto, sviluppando competenze ed esperienza.
Poi si è creata una posizione piuttosto unica: aprire, con completa carta bianca, questo centro di ricerca, che ha sede ad Harlem. L’idea era stimolante ma anche rischiosa, perché è un’università che in questo campo non ha una tradizione, quindi un centro completamente nuovo. È stato un salto nel buio lasciare un dipartimento di alto livello, in una delle più grandi scuole di ingegneria pubbliche degli Stati Uniti, per fondare qualcosa quasi da zero. Ma c’erano tante opportunità: la possibilità di sviluppare nuove linee di ricerca e un budget molto alto, sia per acquistare attrezzature sia per assumere altri professori e aprire nuove direzioni di ricerca in un campo, la fotonica, che oggi è molto attivo, con investimenti da aziende e dal governo.
Anche la possibilita’ di spostarsi dal Texas a New York ha pesato in positivo. Austin è una bellissima città, ma New York è unica: più vicina all’Europa e più cosmopolita. Ne vedo il vantaggio anche nelle persone che riesco ad assumere dall’Europa: fare venire qui scienziati validi dall’Europa è molto più facile che in Texas.
I media hanno spesso etichettato i Suoi studi come la nascita del “mantello dell’invisibilità”. Al di là del fascino fantascientifico, ci spiega in parole semplici cosa sono i metamateriali e come possono migliorare le tecnologie di uso comune?
Io lavoro in un ambito molto ampio, il controllo della luce con materiali ingegnerizzati alla nanoscala. Questi metamateriali cambiano il modo in cui interagiamo con la luce o con altre onde elettromagnetiche. Il centro in cui lavoro mi dà l’opportunità di lavorare ai massimi livelli in questo campo perché abbiamo attrezzature eccezionali, un laboratorio specializzato su queste tematiche che e’ il migliore in questa zona geografica. Ad esempio, la nostra clean room per fabbricare questi materiali e’ usate da tutte le università qui intorno, da Columbia a New York University. Servono centinaia di milioni di dollari per metterla insieme a questi livelli. In confronto, a Austin avevamo una clean room più datata e a nove miglia di distanza dai miei laboratori, il che rallentava il processo. Qui abbiamo tutto in house, in un edificio molto all’avanguardia. È il laboratorio ideale per il tipo di ricerca che conduco.
Gli studi iniziali sul mantello dell’invisibilità sono tra i miei primi lavori scientifici, ormai datati a più di vent’anni fa. È molto citato perché è stato il primo in cui è stato dimostrato teoricamente che, strutturando un materiale, si può creare un effetto ottico che rende trasparente un oggetto al suo interno. È un’idea che si trova ispirata ai libri di fantascienza: nell’Uomo invisibile di Wells il modo in cui avviene l’effetto di trasparenza è molto simile a quello che negli anni abbiamo realizzato anche sperimentalmente.
Questa linea di ricerca, però, non è il mio focus attuale. Come succede spesso, all’inizio c’è un grande entusiasmo e i paper teorici sono molto visionari; poi, con gli esperimenti, si scoprono limitazioni fondamentali. Abbiamo dimostrato che ci sono limiti a quanto si possa rendere trasparente un oggetto, in funzione della sua dimensione, della lunghezza d’onda con cui lo si osserva e del livello di trasparenza desiderato. Questo significa che il mantello funziona molto bene per sistemi radar e strutture a lunghezze d’onda più lunghe, come le radiofrequenze, con tante applicazioni tecnologiche. Ma l’idea più fantascientifica di creare un oggetto macroscopico invisibile all’occhio umano ha limiti fondamentali, ed è molto difficile da realizzare.
Inoltre la ricerca è diventata molto più applicata, anche con importanti implicazioni nel settore della difesa, e questo ci ha spinto verso altri temi, più facili da sviluppare in un ambiente accademico come il nostro, in cui lavorano molti stranieri.
Lei dirige la Photonics Initiative del CUNY e lavora anche sulle onde acustiche e sulle telecomunicazioni. Quali applicazioni concrete potrebbero avere queste ricerche nelle tecnologie che utilizziamo ogni giorno?
Ho un gruppo molto grande di ricercatori, tra dottorandi, postdoc e research scientist. Lavoriamo su tre frontiere principali: ottica, radiofrequenze e acustica. Sulle radiofrequenze costruiamo nuove strutture che migliorano le comunicazioni, per esempio antenne che consentono di trasmettere più dati. Anche lì l’invisibilità è stata importante, per realizzare antenne che non si disturbano a vicenda, trasparenti l’una rispetto all’altra. In acustica abbiamo un paio di progetti molto grandi con il governo americano, per sviluppare nuove tecnologie che cambiano il modo in cui le onde acustiche si propagano nei materiali, importanti per gli effetti termici e per tecnologie che finiscono dentro i cellulari.
Abbiamo anche ottenuto recentemente un importante progetto finanziato dall’Unione Europea, per ricollegarci un po’ all’Italia, sulle generazioni future delle telecomunicazioni. Il problema classico è un ambiente molto affollato, come uno stadio o un concerto, dove è difficile collegare i cellulari alla rete: le antenne hanno una banda limitata e possono servire un numero limitato di persone. Quello che stiamo sviluppando consente di andare molto oltre questi limiti.
Un tratto che forse caratterizza il mio lavoro è che lavoriamo su concetti molto fondamentali, ma riusciamo ad applicarli: siamo finanziati da agenzie governative che finanziano la ricerca più esplorativa e lavoriamo anche con aziende.
Un esempio di questo tipo, legato alle comunicazioni wireless, è la nostra recente dimostrazione di onde elettromagnetiche riflesse nel tempo. Siamo abituati alle riflessioni nello spazio, come quando ci guardiamo allo specchio: ogni volta che c’è un’interfaccia tra due materiali, le onde elettromagnetiche, luce compresa, vengono riflesse. Le equazioni di Maxwell sono però duali tra spazio e tempo, quindi ci si può aspettare una riflessione simile quando un’onda sperimenta un cambio di materiale repentino nel tempo: si crea una cosiddetta interfaccia temporale.
Un eco o la nostra faccia nello specchio ci restituiscono la parte frontale del segnale; la riflessione temporale fa l’inverso, un’inversione temporale di tutto il segnale che si propaga. Questa idea era stata proposta teoricamente più di 60 anni fa, ma non era mai stata dimostrata sperimentalmente, perché non è banale fare un esperimento del genere. Noi abbiamo misurato queste riflessioni temporali, che hanno avuto molta attenzione mediatica e scientifica.
Una delle implicazioni più grandi è nelle comunicazioni. Nei sistemi complessi ci sono distorsioni, perché le onde elettromagnetiche rimbalzano su vari oggetti e arrivano al cellulare dopo tanti percorsi diversi, interferendo in modo casuale. Con le riflessioni temporali si possono cancellare queste interferenze, perché si può prendere il segnale e farlo tornare indietro esattamente com’era arrivato dall’origine. È un buon esempio del tipo di ricerche che facciamo: cose molto fondamentali, ma con una storia di impatto su tecnologie pratiche.
È Chair del Consiglio Scientifico di ISSNAF. Che ruolo possono avere gli scienziati italiani all’estero nel rapporto tra Italia e Stati Uniti?
È un’iniziativa molto interessante. Mi piace servire un po’ la comunità in questo campo: è un’associazione con una presenza molto importante in Nord America, che cerca di portare insieme gli scienziati e gli studiosi italiani che lavorano qui. Ha una membership molto grande, in tutti gli Stati Uniti e in Canada. Mi piace perché è anche un modo per mantenere un legame con l’Italia e restituire qualcosa alla comunità scientifica.
Ho cominciato a interagire con ISSNAF tanti anni fa, quando avevo appena cominciato ad Austin e ho ricevuto lo Strazzabosco Award, un premio di ingegneria per giovani ricercatori: era la prima edizione del premio. Lì ho conosciuto ISSNAF e sono andato all’ambasciata. Oggi, come Chair del Consiglio Scientifico, il mio lavoro è anche assegnare premi per giovani scienziati: ogni anno ne bandiamo quattro o cinque in campi diversi, e e’ bello vedere il talento italiano in Nord America, con molte nomination impressionanti. Il prossimo evento sarà all’ambasciata a Washington il 12 novembre. Per ogni premio c’è una giuria di scienziati italiani di alto calibro che lavorano in Nord America, e i premi vengono annunciati all’ambasciata, in presenza dell’ambasciatore e di alte autorita’ italiane e americane.
Quale consiglio pratico darebbe a un giovane ricercatore italiano che desidera costruire un percorso scientifico negli Stati Uniti? Quali basi della formazione italiana fanno davvero la differenza oltreoceano?
La base della formazione a livello educativo è ottima in Italia. Credo che la ragione sia il fatto che gia’ dal liceo la preparazione italiana e’ molto ricca e profonda. In America la preparazione al college è un po’ più generica. Per fare scienza, il livello di base che l’Italia offre sia in matematica sia in fisica è ottimo, spesso superiore a quello che si trova in persone istruite in altri paesi.
A volte ospito studenti suggeriti da collaboratori in Italia, per sei mesi o un anno. Anche chi non ha necessariamente gia’ un curriculum particolarmente ricco di pubblicazioni riesce a contribuire subito alla ricerca ai massimi livelli: ha un’intuizione e un modo di capire la scienza che è ottimo. Nonostante molti giovani ricercatori siano un po’ forzati ad andare all’estero per la mancanza di risorse, la base di formazione, a livello undergraduate o di PhD, nelle università italiane è molto buona, probabilmente superiore a quella di molte altre nazioni, forse anche degli Stati Uniti. Consente di fare ottima ricerca, se ci si trova l’ambiente giusto.
Spero che il governo americano si renda conto di quanto siano importanti gli scambi di questo tipo: sono proprio questi scambi ad aver contribuito alla leadership scientifica degli Stati Uniti. La maggior parte degli scienziati qui in USA sono stranieri: il mio gruppo ospita un grande numero di giovani scienziati, quasi tutti stranieri. Istituzioni come ISSNAF aiutano tanto da questo punto di vista, perché creano l’infrastruttura, un supporto iniziale, per quando le persone arrivano dall’estero.
