Da sinistra: Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L'Huillier. Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach
Nobel per la Fisica 2023: flash di luce per guardare gli elettroni muoversi
A cosa servono gli impulsi ad attosecondi?
Gli impulsi ad attosecondi sono il “flash” più rapido che abbiamo in natura. Un flash così rapido permette di cogliere una istantanea del movimento degli elettroni, che sono tra le mille e diecimila volte più leggeri dei nuclei, e altrettanto più veloci. Comprendere il movimento degli elettroni è cruciale per la comprensione del funzionamento dei materiali, delle loro proprietà fisiche e chimiche. Quando avviene una reazione chimica in una molecola, o tra diverse molecole, quello che succede a livello microscopico è che gli elettroni si "riassestano" tra diverse molecole o all’interno della stessa, ad esempio quando la luce viene assorbita durante il processo di fotosintesi in una pianta, o in un pannello fotovoltaico. Questo riassestamento degli elettroni avviene appunto sulle scale degli attosecondi. Il riuscire a vedere come questo succede ci può permettere di capire come disegnare materiali o molecole che siano più efficienti nel convertire la luce in elettricità, o nel creare catalizzatori più efficienti per diminuire i gas serra nell’atmosfera.
Una piccola curiosità: la vincitrice di quest’anno, Anne l’Huillier, ha saputo del Nobel in ritardo perché si trovava in aula ad insegnare e aveva il telefono in modalità silenziosa quando ha ricevuto la chiamata. Anne l’Huillier è attiva a Lund, in Svezia, ed è la docente di Interazione Luce-Materia all’interno del corso di laurea in Ingegneria Fisica (Teknisk Fysik). Nei nostri corsi di laurea triennali e magistrali in Ingegneria Fisica a Ca’ Foscari (www.unive.it/cdl/ct8 e www.unive.it/cdl/cm13) abbiamo insegnamenti analoghi, in cui si studia la fisica fondamentale necessaria per descrivere gli impulsi laser cosiddetti ultracorti (a femtosecondi ed attosecondi). Questi impulsi, una volta parte di una tecnologia per ricerca di nicchia, sono già diventati, nel caso dei femtosecondi, prodotti usati nell’industria e nella medicina con performance estremamente migliori della tecnologia precedente. Già ora, e ancora di più in futuro, il conoscere e saper usare sistemi laser avanzati per metrologia o fabbricazione sarà una capacità richiesta per l’ingegneria moderna.
Il premio Nobel per la Fisica 2023 è stato assegnato in tre parti uguali a (in ordine alfabetico) Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier “per i metodi sperimentali che generano impulsi di luce agli attosecondi per lo studio della dinamica degli elettroni nella materia”.
Abbiamo chiesto a Stefano Bonetti, Professore Ordinario di Fisica della Materia del Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi, di spiegarci il lavoro degli scienziati.
Che cosa sono gli attosecondi (in forma breve: as)?
Un attosecondo è una durata di tempo corrispondente a un miliardesimo di miliardesimo di secondo, cioè 0.000 000 000 000 000 001 secondi. In notazione scientifica, questo si scrive in maniera più compatta come 10–18 (10 alla meno 18) secondi. La parola “atto” deriva dalla parola danese “atten” che significa “diciotto”. Altre lingue scandinave hanno parole assonanti per questo numero. L’origine danese potrebbe avere a che fare con il ruolo preminente che Niels Bohr e la scuola di Copenhagen hanno avuto per la fisica quantistica.
Infatti, nel modello atomico planetario di Bohr, in cui gli elettroni sono pensati come particelle leggere che ruotano intorno ad un nucleo più pesante (come la Terra intorno al Sole), il tempo che ci metterebbe un elettrone in un atomo di idrogeno a compiere un’orbita intorno al nucleo, sono circa 24 attosecondi. Sappiamo ora, dopo gli sviluppi della meccanica quantistica, che questo modello non è corretto, e che non è possibile definire una orbita per gli elettroni. Ma il modello di Bohr, comprensibile, ci aiuta ad avere numeri nel giusto ordine di grandezza.
Come si produce un impulso laser che abbia una durata nell’ordine degli attosecondi?
I metodi per la produzione di tali impulsi sono la parte complicata della faccenda, e il motivo del premio Nobel per la Fisica di quest’anno. Il progresso scientifico parte sempre dai risultati ottenuti della comunità scientifica fino a quel momento. In questo caso, il passo fondamentale è stato lo sviluppo di impulsi laser a femtosecondi (1 femtsecondo = 10-15 secondi, cioè mille volte più lento di un attosecondo) ad alta intensità. Questo è avvenuto negli anni ‘80, e per tale sviluppo è stato assegnato il premio Nobel per la Fisica del 2018, di cui abbiamo scritto su queste pagine.
Avendo a disposizione tali impulsi, la domanda che la comunità scientifica si pose negli anni ‘90 fu la seguente: come possiamo comprimerli ulteriormente e passare dai femtosecondi agli attosecondi? La risposta teorica era semplice, la messa in pratica meno. Per comprimere un impulso nel tempo bisognava allargarne la banda di frequenze.
Per chi non ha una preparazione scientifica di livello universitario, questo si potrebbe vedere (in maniera non completamente corretta, ma che rende l’idea) come la transizione da una nota bassa ad una acuta, con il o la cantante che deve far vibrare le corde vocali più velocemente.
Per chi conosce la matematica delle trasformate di Fourier, l’impulso in tempo è una funzione che è tanto più stretta, quanto più larga è la sua trasformata in frequenza. Per chi conosce anche la fisica moderna, questa è una espressione del principio generalizzato di Heisenberg (di cui abbiamo parlato qui per il premio Nobel per la fisica dell’anno scorso), dove l’indeterminazione in tempo è inversamente proporzionale all’indeterminazione in frequenza o energia.
La soluzione sperimentale fu di trovare una ottimale combinazione di impulsi laser e materiali (all’inizio in gas) in cui l’allargamento della banda di frequenze è particolarmente efficiente. Il metodo sviluppato è oggi conosciuto con l’acronimo di HHG (high harmonic generation), con le armoniche che sono, in analogia con i suoni, i multipli di frequenza di una vibrazione fondamentale, quella del laser di partenza. Per chi avesse interesse a capire cosa succede a livello microscopico, la figura sotto e la sua legenda, presa dal sito ufficiale del Premio Nobel, danno qualche informazione in più.
Il modello si deve a Paul Corkum, il padre teorico della generazione degli impulsi ad attosecondi, vincitore del Premio Wolf 2022 per la Fisica insieme a due dei tre vincitori del Nobel di quest’anno, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier, “per i contributi pioneristici alla scienza dei laser ultraveloci e la fisica degli attosecondi”.