Le ricerche condotte da Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier sui laser ultraveloci hanno aperto la strada a uno studio approfondito del movimento degli elettroni in finestre temporali piccolissime.
I tre vincitori del premio Nobel per la Fisica nel 2023. Da sinistra: Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L'Huillier (Crediti: © Nobel Prize Outreach)
IL PREMIO
Il 3 ottobre 2023 l’Accademia Reale Svedese delle scienze ha assegnato, in egual misura, il premio Nobel a Pierre Agostini, dell’Università Statale dell'Ohio (USA), Ferenc Krausz, dell’istituto Max Planck di ottica quantistica (Germania), e Anne L’Huillier, dell’Università di Lund (Svezia), “per i metodi sperimentali che generano impulsi di luce ad attosecondi per lo studio della dinamica degli elettroni nella materia”.
ATTO-CHE?
Il premio è stato assegnato per aver costruito e riprodotto degli esperimenti scientifici che riuscissero a produrre e a studiare impulsi luminosi (luce) brevissimi, solo alcune centinaia di attosecondi. Ma che cos’è un attosecondo? Questo è un’unità di misura temporale che vale soltanto un miliardesimo di miliardesimo di secondo (10E-18 s). Il nome deriva dal danese atten, che vuol dire “diciotto”; diciotto come gli zeri che precedono l’uno.
Per “comprendere” quanto un singolo attosecondo valga, basta un battito cardiaco (circa 1s) e immaginare di prenderne un istante lungo soltanto un millesimo; bene, ora bisogna ripetere il processo altre cinque volte. Adoperando un altro paragone, è possibile dire che un un attosecondo sta a un secondo, come questo sta al tempo trascorso dalla nascita dell’universo (13.8 miliardi di anni fa).
LA STORIA DELLA RICERCA
Le ricerche premiate dall’accademia trovano basi, sperimentali e teoriche, su quelle svolte dai premi Nobel per la fisica del 2018. Per produrre impulsi luminosi tanto brevi, necessari per “scattare delle istantanee” agli elettroni, si è partiti dalle ricerche degli anni ‘80 su laser a femtosecondi - che riescono a produrre impulsi luminosi a femtosecondi, 10E-15 s, cioè impulsi mille volte più lenti di quelli ad attosecondi -. I laser ordinari, però, non sono in grado di scendere al di sotto del femtosecondo; ciò portò a pensare che questo fosse un limite invalicabile per gli impulsi luminosi.
Nel 1987 Anne L'Huillier, con il suo team, volendo sfruttare la descrizione matematica delle onde - la quale permette un ulteriore abbassamento della finestra temporale, mediante la “costruzione” dell’onda desiderata tramite la somme di onde di dimensione inferiore dette armonici - è riuscita a produrre armonici grazie all’interazione di un laser a infrarossi con gli elettroni di un gas nobile.
Nel 2001 Pierre Agostini e il suo gruppo di ricerca in Francia, compresa la natura degli armonici di luce, il loro comportamento e come questi interagiscono con l’impulso generatore, sono riusciti a produrre una sequenza di impulsi durati 250 attosecondi ciascuno.
Nello stesso anno, in Germania, Ferenc Krausz e il suo gruppo di ricerca in Austria sono riusciti a produrre ed isolare un impulso durato 650 attosecondi, studiando anche come questo ha interagito con gli elettroni che ne hanno generato gli armonici.
I RISVOLTI PRATICI DELLA RICERCA
Un impulso luminoso così rapido permette di cogliere un’istantanea del movimento degli elettroni. Riuscire a vedere ciò che avviene a queste particelle in frazioni di secondo tanto piccole, permette di studiare moltissimi fenomeni a livello molecolare e subatomico, mostrandoci come gli elettroni e gli altri elementi interagiscono tra di loro e con l’ambiente circostante.
Oltre all’ovvio beneficio che ne trae la ricerca di base, all’atto pratico, molti sono i campi di applicazione che una ricerca del genere può avere: dal disegnare materiali più efficienti nel convertire luce in elettricità, alla diagnostica medica di altissima precisione.
Francesco Lentini 3Q
Per approfondire la redazione scientifica propone due articoli dove è possibile trovare più informazioni sugli esperimenti premiati con il premio Nobel: Articolo generale dell'Università Ca' Foscari di Venezia
Sito dell'Accademia Reale Svedese delle Scienze (qui è possibile trovare rapporti di complessità diversa: Popular Science Background e Scientific Background)