Laser ad attosecondi, una sonda per l’infinitamente breve

Per sperare di intravedere le particelle del mondo subatomico, la cui velocità è inimmaginabilmente elevata, sono necessari lampi di luce di altrettanto inimmaginabile brevità. Anne L’Huillier, Pierre Agostini e Ferenc Krausz condividono il Premio Nobel per la fisica 2023 per il loro lavoro pionieristico nello sviluppo di questi “lampi” ultracorti.

Tra gli anni ’80 e l’inizio degli anni 2000, i tre fisici svilupparono tecniche in grado di produrre impulsi laser della durata di pochi attosecondi, ovvero miliardi di miliardi di volte più fugaci di un secondo. Il mondo rallenta se visto con questi lampi, e il battito d’ali di un colibrì diventa un’eternità. Anche gli atomi vorticosi sembrano essersi fermati. Infatti, su scala degli attosecondi, i fisici hanno accesso al movimento degli elettroni stessi, nella loro danza frenetica attorno ai bordi degli atomi, saltando da un posto all’altro.

“La capacità di generare impulsi di luce ad attosecondi ha aperto la strada a una scala temporale piccola, estremamente piccola. In tal modo, ha reso accessibile il mondo degli elettroni”, ha affermato Eva Olsson, fisica presso la Chalmers University of Technology di Göteborg, in Svezia, e presidente del comitato per la fisica del Nobel.

Oltre a fornire un modo fondamentalmente nuovo di studiare gli elettroni, questo metodo di visualizzazione al rallentatore può portare a una moltitudine di applicazioni. Secondo Mats Larsson, membro del comitato Nobel, a questa tecnica viene riconosciuto il merito di aver lanciato il campo dell'”attochimica”, cioè la capacità di manipolare i singoli elettroni utilizzando la luce. E continua: «Se inviamo impulsi laser ad attosecondi su un semiconduttore, il materiale passa quasi istantaneamente dallo stato resistente – blocca il passaggio dell’elettricità – a quello di conduttore, il che rende possibile la progettazione di dispositivi elettronici ultraveloci. » Ferenc Krausz, uno dei co-vincitori, sta anche cercando di sfruttare la potenza degli impulsi ad attosecondi per rilevare sottili cambiamenti nelle cellule del sangue, possibili indicatori delle prime fasi del cancro.

Il mondo ultraveloce è radicalmente diverso dal nostro, ma grazie al lavoro di Anne L’Huillier, Pierre Agostini e Ferenc Krausz, e altri, sta cominciando a rivelarsi. Ma cos’è un attosecondo?

Molti zeri

Un attosecondo corrisponde a un trilionesimo di secondo, ovvero 0,000000000000000001 secondo (10^-18 secondo). In un secondo passano più attosecondi di quanti secondi siano trascorsi dalla nascita dell’Universo (dell’ordine di 10¹⁷).

Per misurare i movimenti dei pianeti usiamo giorni, mesi e anni. Per misurare la corsa di un essere umano per 100 metri, utilizziamo secondi o centesimi di secondo. Ma quando ci immergiamo nel mondo submicroscopico, gli oggetti si muovono più velocemente. Per misurare movimenti quasi istantanei, come la danza degli elettroni, abbiamo bisogno di cronometri con tacche molto più fini: gli attosecondi.

Nel 1925, Werner Heisenberg, uno dei pionieri della meccanica quantistica, affermò che il tempo impiegato da un elettrone per girare attorno a un atomo di idrogeno non era osservabile. In un certo senso aveva ragione. Gli elettroni non orbitano attorno a un nucleo atomico come i pianeti orbitano attorno alle stelle. I fisici le considerano piuttosto come onde di probabilità: indicano le “possibilità” di osservarle in un certo luogo e in un certo momento, per cui è impossibile misurare un elettrone che vola letteralmente nello spazio.

Ma Heisenberg sottovalutò l’ingegno dei fisici del XX secolo^e secolo ! Certamente la probabilità che un elettrone sia qui o là varia da momento a momento, da un attosecondo all’altro. Tuttavia, utilizzando impulsi laser ad attosecondi in grado di interagire con gli elettroni, i ricercatori possono sondare direttamente il comportamento di queste particelle. Dobbiamo ancora produrre impulsi ad attosecondi!

La fotocamera più veloce

Negli anni ’80, Ahmed Zewail del California Institute of Technology sviluppò laser che producevano impulsi di pochi femtosecondi (migliaia di attosecondi). Quest’opera, che valse al suo autore il Premio Nobel per la Chimica nel 1999, fu sufficiente per autorizzare lo studio dell’andamento delle reazioni chimiche tra gli atomi nelle molecole. Abbiamo poi parlato della “fotocamera più veloce del mondo”.

Per un certo periodo, fare meglio sembrava irraggiungibile, perché non sapevamo come far oscillare la luce più velocemente. Ma nel 1987, Anne L’Huillier, ora all’Università di Lund, in Svezia, e i suoi collaboratori fecero un’osservazione interessante: se si punta la luce laser su determinati gas, i loro atomi vengono eccitati e riemettono fotoni che oscillano molte volte più velocemente, cioè con frequenze più alte, rispetto a quelle del laser originale. Il gruppo di fisici ha scoperto che con gas come l’argon, alcune di queste “armoniche” aggiuntive apparivano più luminose di altre, ma secondo uno schema inaspettato. Questo fenomeno allora era sconcertante.

All’inizio degli anni ’90, Anne L’Huillier e altri ricercatori usarono la meccanica quantistica per calcolare le intensità di varie armoniche. Sono stati quindi in grado di prevedere esattamente come, quando un laser a infrarossi che oscilla lentamente colpisce una nuvola di atomi, gli atomi a loro volta emettono luce “ultravioletta estrema” rapidamente oscillante. Una volta capito quali armoniche aspettarsi, hanno capito come sovrapporle in modo da ottenere un nuovo impulso, questa volta con una frequenza sulla scala degli attosecondi. Far sì che giganteschi collettivi di atomi producano queste onde finemente sintonizzate in concerto è un processo che Mats Larsson paragona a un’orchestra che produce musica, quindi sincronizzata.

Coniglio in soccorso

Negli anni successivi, i fisici sfruttarono questa conoscenza dettagliata delle armoniche per creare impulsi ad attosecondi in laboratorio. Pierre Agostini, ora presso la Ohio State University, USA, e i suoi colleghi hanno sviluppato una tecnica chiamata “Rabbit” (da Ricostruzione del battimento degli attosecondi mediante interferenza di transizioni di due fotonio “Ricostruzione di un battimento di attosecondi mediante interferenza di transizioni di due fotoni”). Grazie a Rabbit, nel 2001 il gruppo ha creato una serie di impulsi laser ciascuno della durata di 250 attosecondi. Nello stesso anno, il gruppo di Ferenc Krausz presso l’Istituto Max Planck di ottica quantistica di Garching, in Germania, ha utilizzato un metodo leggermente diverso, noto come striature, per produrre e studiare esplosioni della durata individuale di 650 attosecondi ciascuna. Nel 2003 Anne L’Huillier e i suoi collaboratori li hanno superati entrambi con un impulso laser della durata di soli 170 attosecondi.

Ma cosa possiamo fare con gli impulsi ad attosecondi? Consentono ai fisici di rilevare qualsiasi cosa cambi in un periodo compreso tra poche decine e poche centinaia di attosecondi. La prima applicazione consisteva nel provare ciò che i fisici avevano a lungo ritenuto impossibile (o almeno estremamente improbabile): vedere esattamente come si comportano gli elettroni.

Nel 1905 Albert Einstein diede il via alla meccanica quantistica spiegando l’effetto fotoelettrico, che consiste nell’emissione di elettroni da una lastra metallica illuminata (questa scoperta gli valse il Premio Nobel per la fisica nel 1921). Prima dell’avvento della fisica degli attosecondi, i fisici generalmente presumevano che la catena di reazioni che portavano al rilascio di elettroni fosse istantanea.

Nel 2010 Ferenc Krausz e i suoi colleghi hanno dimostrato il contrario. Hanno usato impulsi ad attosecondi per cronometrare gli elettroni rilasciati dagli atomi di neon e hanno scoperto in particolare che un elettrone in uno stato di bassa energia abbandonava il suo ospite 21 attosecondi più velocemente di un elettrone in uno stato di alta energia. Nel 2020, un altro gruppo ha dimostrato che gli elettroni fuoriescono dall’acqua liquida decine di attosecondi più velocemente che dal vapore acqueo.

Altre applicazioni degli impulsi ad attosecondi sono in fase di sviluppo. La tecnica potrebbe aiutare a sondare una serie di fenomeni legati agli elettroni, compreso il modo in cui le particelle trasportano e bloccano la carica elettrica, il modo in cui gli elettroni rimbalzano l’uno sull’altro e il modo in cui queste particelle si comportano collettivamente. Ferenc Krausz illumina anche il sangue umano con lampi ad attosecondi. Nel 2022, ha contribuito a dimostrare che piccoli cambiamenti nella firma spettroscopica di un campione sono possibili indizi di un cancro in stadio iniziale.

La mattina del 3 ottobre 2023, il comitato del Nobel ha avuto difficoltà a raggiungere Anne L’Huillier per informarla che era la quinta donna nella storia a ricevere il Premio Nobel per la fisica. Quando finalmente lo fece, dopo tre o quattro chiamate perse, lei stava tenendo una conferenza ai suoi studenti. È riuscita a finirlo, anche se l’ultima mezz’ora è stata molto difficile… È stata un’eternità, soprattutto se si conta in attosecondi!