Quella strana luce bluastra (e altre illuminanti diavolerie)

Avete notato? Da un po’ di tempo nelle nostre case si è consumata un’altra piccola rivoluzione tecnologica. Le spie luminose di televisori, computer o altro non sono più quei LED (Light Emitting Diodes, ossia dei particolari dispositivi, i diodi, che emettono luce) di colore rosso o verde. Una particolare luce bluastra serve ora a quello scopo, e la stessa si nota sempre più nelle vetrine di negozi o in insegne luminose. Quel colore particolarmente “artificiale” tradisce che qualcosa di nuovo è entrato nella nostra vita. E, infatti, così è.

La produzione di luce è stata una preoccupazione costante dell’uomo, sin dai tempi preistorici, quando i nostri progenitori cavernicoli cominciarono a saper controllare il fuoco. E, dall’invenzione della lampada elettrica alla fine dell’ ‘800, parecchie rivoluzioni scientifiche (a partire proprio dalla nascita della fisica moderna) sono state segnate dalla nostra abilità di controllare la luce. Basti pensare al laser, di cui il 2010 segna il cinquantesimo anniversario della sua invenzione.
Il meccanismo generale che permette la generazione di luce è comune a tutti i diversi dispositivi, lampade ad incandescenza, tubi fluorescenti o LED. Gli attori principali sono quelle minuscole particelle cariche di elettricità, gli elettroni, di cui è pieno ogni materiale, e le forze elettriche che li tengono legati negli atomi, nelle molecole, ecc. Dell’esistenza di queste forze ne siamo consapevoli fin da ragazzi, quando a scuola ci divertivamo attraendo pezzettini di carta con una penna di plastica strofinata sulla nostra maglia di lana. Lo stesso tipo di forza che attira i pezzettini di carta, riesce a tenere insieme gli elettroni nei propri posti negli atomi. E quando in un corpo riusciamo ad accumulare un eccesso di elettroni, o un eccesso di loro “mancanze”, tra tali eccessi si generano delle forze elettriche macroscopiche di cui avvertiamo gli effetti sotto diverse forme, come appunto l’attrazione dei pezzettini di carta. Anche la produzione di luce è dovuta agli elettroni, ed è quindi un effetto puramente atomico.

Forniamo una certa energia ad un qualsiasi corpo, per esempio riscaldandolo, come nelle resistenze di un forno elettrico, o producendo fuoco, accendendo un fiammifero o la fiamma della cucina. Gli elettroni di quel corpo immagazzinano parte di tale energia e, in un certo senso, vanno “fuori” dal posto che gli compete normalmente nella struttura atomica: con un termine appropriato, si dice che gli elettroni sono “eccitati”. In tale stato, però, essi non rimangono a lungo, e si liberano presto del loro eccesso di energia, ritornando al loro “posto”, proprio emettendo luce. In pratica, quindi, la produzione di luce non è altro che una trasformazione di energia, da una forma ad un’altra. Un esempio di tale semplice meccanismo lo possiamo avere direttamente a casa nostra. Prendete dei cristalli di zucchero e frantumateli, per esempio con un bicchiere di vetro.

Se l’operazione la svolgete al buio o comunque in una stanza oscurata, facilmente potrete accorgervi che scoccano alcune scintille luminose. Frantumando i cristalli, infatti, avete fornito energia che è servita per creare eccessi di elettroni da una parte e loro mancanze dall’altra. Quando gli elettroni tendono a ri-equilibrare la situazione, ritornando ai proprio posti, ecco che scoccano le scintille. Per le signore che hanno un gioiello con un diamante, basta anche solo sfregare il diamante per vederlo splendere di luce.
Per la maggior parte delle sostanze che si trovano in Natura, e in molti dei materiali fabbricati dall’uomo, l’immagazzinamento elettronico di energia non è molto efficiente: una grossa fetta di energia viene dissipata sotto forma di calore. Basti pensare, ad esempio, che nelle tradizionali lampadine ad incandescenza la temperatura sale fino a qualche migliaio di gradi (e chi  non si è ustionato almeno una volta toccando anche solo il bulbo di vetro!).E lo stesso si ha nelle vicinanze di uno schermo LCD. Tuttavia negli ultimi decenni si è riusciti a fabbricare dei materiali, detti opto-elettronicamente attivi, in cui il processo di termalizzazione può essere molto lento, e la maggior parte di energia può essere emessa sotto forma di luce. È questo il caso dei LED o della luce bluastra di cui abbiamo detto sopra, dove il materiale attivo è normalmente un semiconduttore, per esempio silicio in cui sono state immesse particolari impurezze.
Come viene fornita energia agli elettroni di tali sostanze? Il riscaldamento sarebbe certamente il metodo più pratico ma, come abbiamo detto, molto poco efficiente. Meglio agire direttamente su di essi con forze. Ciò lo si ottiene semplicemente con due elettrodi, come nelle prese di casa, tra i quali scorre l’elettricità. È lo stesso metodo usato nei tubi al neon, in cui tramite elettrodi si fornisce energia agli elettroni accelerandoli. Nei semiconduttori, però, l’obiettivo non è quello di far accelerare gli elettroni, ma di far accumulare eccessi e mancanze di cariche che, ricombinandosi, producano luce. Nei LED, rossi o verdi, funziona proprio così. Il colore della luce emessa dipende dal materiale immesso come impurezza.
Nel caso del nuovo dispositivo che emette luce bluastra c’è però un’altra “sottigliezza”, l’apparente mancanza di elettrodi, per cui il dispositivo non sembra più il derivato di una piccola lampadina, ma piuttosto il materiale stesso sembra produrre luce a comando. In realtà questo non è vero, e non potrebbe esserlo. La tecnica ha permesso la fabbricazione di elettrodi sottilissimi e trasparenti (per esempio a base di ossido di stagno), per cui la luce prodotta può passare attraverso di essi, creando l’effetto che si è detto. Tutto qui. Davvero infinite le applicazioni di questi semiconduttori.
Ma ora basta parlare di fenomeni elettronici; meglio concludere qui e andarsi a fare una bibita fredda, che ne dite? State attenti, però, a non far scricchiolare il ghiaccio che mettete nella bibita (dovuto ad una rapida espansione termica) al buio: potreste essere impressionati dai piccoli flash di luce bianca emessi!

S. Esposito, fisico