Il nuovo rilevatore a raggi X superconduttore installato presso il sincrotrone BESSY II di Berlino rappresenta un salto enorme per la ricerca sui materiali. Fino a 1.000 volte più sensibile rispetto agli spettrometri convenzionali, questo strumento apre possibilità che fino a poco tempo fa sembravano fuori portata. Nato dalla collaborazione tra l’Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), il Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion e il NIST statunitense, si tratta del primo e unico spettrometro TES operativo in un sincrotrone europeo.

La tecnologia alla base è tanto affascinante quanto complessa, ma il concetto chiave è relativamente semplice. Al cuore dello strumento ci sono 248 sensori superconduttori che funzionano a una temperatura di appena 25 millesimi di grado sopra lo zero assoluto. Per raggiungere quel freddo estremo si utilizza un refrigeratore a diluizione elio 4/elio 3, simile a quelli impiegati nei computer quantistici. Quando i raggi X colpiscono un campione, questo emette fotoni. Ogni fotone che raggiunge un sensore provoca un minuscolo riscaldamento, sufficiente a interrompere lo stato superconduttivo e generare un cambiamento nella resistenza elettrica misurabile con estrema precisione.

Perché questa sensibilità cambia tutto

Tecniche come la spettroscopia di emissione a raggi X (XES) e lo scattering anelastico risonante (RIXS) hanno sempre avuto un limite pratico piuttosto frustrante: servivano campioni concentrati e voluminosi per ottenere dati utilizzabili. Con il nuovo rilevatore a raggi X superconduttore di BESSY II, esperimenti che prima richiedevano ore di raccolta dati possono concludersi in pochi minuti. Questo significa poter finalmente studiare materiali sottilissimi, spessi anche un solo strato atomico, oltre a nanostrutture e campioni con concentrazioni bassissime di atomi o molecole.

Régis Decker, lo scienziato responsabile del nuovo strumento presso HZB, ha spiegato che lo spettrometro TES può fornire informazioni preziose sulla chimica molecolare, sulla biologia molecolare e sulle proprietà quantistiche di sistemi a dimensionalità ridotta. In pratica, il dispositivo complementa altre tecniche già esistenti come l’ARPES, che analizza le strutture a bande elettroniche.

Il futuro dello spettrometro TES europeo

Lo spettrometro è collegato a una camera a vuoto ultraspinto progettata su misura, che consente il trasferimento, la preparazione e la misurazione dei campioni con un controllo della temperatura che va da 10 Kelvin fino a temperatura ambiente. Il sistema completo è installato sulla linea di luce UE52 SGM di BESSY II, che offre pieno controllo della polarizzazione.

Prima di questa installazione, nel mondo esistevano solo cinque spettrometri TES operativi presso strutture a raggi X: quattro negli Stati Uniti e uno in Giappone. Ora l’Europa ha il suo, ed è a Berlino. Tra gli aggiornamenti futuri previsti ci sono capacità avanzate di preparazione dei campioni e la possibilità di studiare materiali immersi in campi magnetici, aprendo la strada a misurazioni di dicroismo circolare magnetico sia in assorbimento che in emissione.

Il team sta già raccogliendo proposte di ricerca dalla comunità scientifica. E a giudicare dalle potenzialità di questo rilevatore a raggi X superconduttore, la coda di chi vorrà utilizzarlo potrebbe diventare piuttosto lunga.

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Analizzare la composizione chimica di un materiale, fino a poco tempo fa, significava portare campioni in laboratorio e affidarsi a strumentazioni ingombranti e costose. Ora un team della University of California Davis ha sviluppato uno spettrometro su chip talmente piccolo da avvicinarsi alle dimensioni di un granello di sabbia, e lo ha fatto integrando intelligenza artificiale direttamente nel cuore del dispositivo. La notizia, pubblicata sulla rivista Advanced Photonics a maggio 2026, potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui si fanno diagnosi mediche, controlli alimentari e monitoraggio ambientale.

Gli spettrometri tradizionali funzionano separando la luce nelle sue componenti attraverso prismi o reticoli, un processo che richiede spazio fisico. Lo spettrometro su chip di UC Davis ribalta completamente questa logica. Al posto di componenti ottici voluminosi, il sistema utilizza 16 sensori in silicio, ciascuno progettato per reagire in modo leggermente diverso alla luce in arrivo. Nessuno di questi sensori, da solo, riesce a restituire un quadro completo. Ma insieme producono segnali codificati che una rete neurale appositamente addestrata riesce a decifrare, ricostruendo lo spettro luminoso originale con una risoluzione di circa 8 nanometri. È un approccio elegante, quasi controintuitivo: invece di misurare direttamente i colori, il chip lascia che sia l’intelligenza artificiale a “indovinare” lo spettro partendo da indizi parziali.

Silicio potenziato e sensori ultraveloci

Una delle sfide più grandi riguardava i limiti del silicio. Normalmente questo materiale funziona bene con la luce visibile ma fatica a catturare la luce nel vicino infrarosso, fondamentale per applicazioni come l’imaging biomedico, dato che riesce a penetrare più in profondità nei tessuti umani. I ricercatori hanno risolto il problema modificando la superficie dei fotodiodi con nanostrutture speciali, chiamate PTST (photon trapping surface textures). Queste texture intrappolano i fotoni infrarossi all’interno del sottile strato di silicio, diffondendoli ripetutamente finché non vengono assorbiti. Il risultato è un chip sensibile a un intervallo spettrale molto più ampio del normale.

Non solo. Il dispositivo integra anche sensori ad alta velocità capaci di misurare il tempo di vita dei fotoni con precisione estrema, aprendo la strada al rilevamento di interazioni ultraveloci tra luce e materia che gli spettrometri convenzionali semplicemente non riescono a cogliere.

Piccolo nel formato, enorme nel potenziale

Il sistema completo occupa appena 0,4 millimetri quadrati e mantiene un’elevata sensibilità anche in ambienti con molto rumore elettrico, che è storicamente il tallone d’Achille dell’elettronica portatile a basso costo. Grazie alla combinazione tra machine learning e rilevamento ottico avanzato su silicio, questo spettrometro su chip potrebbe finire dentro smartphone, dispositivi indossabili per il monitoraggio della salute, sensori ambientali remoti e strumenti per l’analisi della qualità alimentare. Tutto ciò che oggi richiede un laboratorio attrezzato potrebbe, in un futuro non troppo lontano, stare sulla punta di un dito. E non è un modo di dire: le foto del prototipo mostrano esattamente questo, un granello tecnologico appoggiato su un polpastrello, pronto a fare il lavoro di macchinari che occupano un intero bancone.

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Esplorare la superficie di Marte è sempre stata un’impresa lentissima, quasi esasperante. Ma un nuovo robot semi-autonomo potrebbe cambiare radicalmente le cose, accelerando fino a tre volte i tempi di analisi geologica rispetto ai metodi tradizionali. E no, non si tratta del solito rover su ruote che avanza di pochi metri al giorno.

Il problema, per chi segue le missioni planetarie, è noto: i segnali tra la Terra e Marte impiegano dai quattro ai ventidue minuti per fare il viaggio di andata. A questo si aggiunge una capacità di trasmissione dati piuttosto limitata. Il risultato? Ogni singola mossa di un rover va pianificata con estrema cautela, e la velocità di esplorazione ne risente in modo drammatico. La maggior parte dei rover percorre appena qualche centinaio di metri al giorno, il che rende difficile raccogliere dati geologici su aree vaste.

Un gruppo di ricercatori ha deciso di provare un approccio diverso. Hanno messo alla prova ANYmal, un robot quadrupede dotato di un braccio robotico con due strumenti: un microscopio chiamato MICRO e uno spettrometro Raman portatile, sviluppato per la sfida ESA ESRIC sulle risorse spaziali. Il progetto ha coinvolto il Robotic Systems Lab dell’ETH di Zurigo, l’Università di Zurigo e l’Università di Berna, con test condotti nel Marslabor dell’Università di Basilea, un ambiente che simula le condizioni della superficie marziana usando rocce analoghe, polvere simile al regolite e illuminazione calibrata.

Tre volte più veloce, senza perdere precisione scientifica

Il confronto tra i due metodi ha dato risultati piuttosto eloquenti. Con l’approccio tradizionale, in cui gli scienziati guidano il robot verso un singolo obiettivo, una missione tipo richiedeva circa 41 minuti. Con il metodo semi-autonomo, dove il robot si sposta da un bersaglio all’altro analizzandoli in sequenza senza aspettare istruzioni, i tempi sono scesi a un intervallo tra 12 e 23 minuti. In uno dei test, il robot ha identificato correttamente ogni singolo target selezionato.

Questo significa che le future missioni su Marte potrebbero coprire aree enormemente più ampie nello stesso tempo, raccogliendo dati su biosignature (tracce di vita) e risorse utili con un’efficienza che oggi sembra quasi fantascienza. Il robot ha dimostrato di saper riconoscere gesso, carbonati, basalti, dunite e anortosite, materiali fondamentali sia per l’astrobiologia che per lo sfruttamento futuro delle risorse lunari e marziane.

Verso le prossime missioni su Luna e Marte

La cosa davvero interessante è che non servono strumenti giganteschi o costosissimi per ottenere risultati scientifici significativi. Lo studio dimostra che anche dotazioni compatte, abbinate a un sistema robotico autonomo, bastano per raggiungere obiettivi chiave nell’esplorazione spaziale. È un cambio di paradigma: invece di dipendere da apparecchiature pesanti e complesse, le agenzie spaziali potrebbero schierare robot agili, capaci di muoversi su terreni accidentati, scansionare rapidamente le rocce e segnalare agli scienziati sulla Terra quali siti meritano un’indagine più approfondita.

Con le nuove missioni verso la Luna e Marte già in fase di pianificazione, robot come ANYmal potrebbero diventare strumenti fondamentali. Più terreno coperto, meno tempo sprecato, e soprattutto maggiori probabilità di trovare quello che tutti cercano: tracce di vita passata o presente, nascoste tra le rocce di un altro mondo.

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