Il Premio Nobel per la Fisica di quest’anno è stato assegnato per il lavoro pionieristico dei tre fisici che hanno contribuito maggiormente alla realizzazione di impulsi laser agli attosecondi, gli oggetti più brevi mai creati dall’uomo (1 attosecondo equivale a 10-18 secondi, cioè un miliardesimo di miliardesimo di secondo).
Il premio è stato suddiviso equamente tra Pierre Agostini dell’Università dell’Ohio, Ferenc Krausz del Max Planck di Ottica Quantistica in Germania e Anne L’Huillier dell’Università di Lund in Svezia.
Impulsi laser brevissimi possono essere usati come un microscopico flash per congelare il movimento di un oggetto in un momento specifico. Per lungo tempo, i ricercatori hanno usato impulsi visibili ai femtosecondi (10-15 secondi) per catturare il movimento degli atomi durante le vibrazioni delle molecole o nelle reazioni chimiche. Tuttavia, creare impulsi di durata molto più corta per seguire eventi ancora più veloci, come il moto dei singoli elettroni all’interno degli atomi, richiede di utilizzare luce di frequenza molto più elevata.
È stata proprio la scoperta del processo di generazione di armoniche elevate negli anni ’80 da parte del gruppo di Anne L’Huillier che ha reso possibile infrangere questa barriera, preparando il terreno per la scienza degli attosecondi. In questo processo, l’interazione tra la luce visibile di un laser dagli impulsi brevi e intensi con gli atomi di un gas consente di ottenere radiazione nell’estremo ultravioletto e nei raggi X. Secondo un modello quantistico sviluppato dalla stessa L’Huillier, l’intenso campo del laser distorce la struttura del campo elettrico all’interno dell’atomo, consentendo a un elettrone di sfuggire alla sua attrazione. L’elettrone liberato viene poi accelerato nel campo elettrico oscillante del laser e, infine, viene catturato nuovamente dall’atomo, emettendo l’energia cinetica accumulata sotto forma di radiazione a frequenze multiple di quelle del laser di partenza. Il modello di L’Huillier mostrava come le proprietà di questa radiazione dipendano dalle traiettorie percorse dagli elettroni coinvolti, e una serie di esperimenti successivi verso la fine degli anni ’90 ha dimostrato che, in opportune condizioni, la luce emessa poteva assumere la forma di un treno di impulsi agli attosecondi.
Il lavoro di Pierre Agostini a Parigi ha consentito di mettere a punto i metodi sperimentali innovativi necessari per misurare questi impulsi, e ha confermato per la prima volta nel 2001 la produzione di treni di impulsi della durata di poche centinaia di attosecondi. Nello stesso anno, il gruppo di Ferenc Krausz a Vienna, è riuscito a produrre impulsi agli attosecondi isolati e a utilizzarli per la prima volta per studiare la dinamica ultraveloce dell’emissione di fotoelettroni. Fondamentale per tale risultato è stata anche la collaborazione con il gruppo del Politecnico di Milano, guidato da Orazio Svelto, sulla generazione di impulsi laser della durata di pochi cicli ottici, dimostrata nel 1997.
Impulsi di luce agli attosecondi aprono una nuova finestra per osservare eventi rapidissimi, come appunto il moto degli elettroni all’interno di atomi e molecole, fondamentali per seguire passo-passo e capire come avvengano le reazioni chimiche e altri processi microscopici troppo veloci per essere studiati altrimenti. Questo nuovo campo di ricerca è oggi in piena espansione e promette applicazioni che spaziano dalla fisica, alla chimica, alla scienza dei materiali, fino allo sviluppo di nuove tecniche di diagnosi basate sulla rivelazione di molecole biologiche.
In tutto questo, fa piacere ricordare che alcuni degli esperimenti che hanno portato ai risultati di oggi hanno avuto luogo sulla collina di Arcetri tra il 1997 e il 2000 quando, presso il LENS, il Laboratorio Europeo di Spettroscopie Non-lineari di Firenze allora diretto da Massimo Inguscio, dimostrammo per la prima volta il ruolo delle diverse traiettorie degli elettroni coinvolti nel processo di generazione di armoniche [1]. Questo e altri [2-4] esperimenti, realizzati tra Firenze e Lund (Svezia) in collaborazione con il gruppo di Anne L’Huillier e con Theodor Hänsch (premio Nobel per la Fisica nel 2005 per l’invenzione dei pettini di frequenza ottici, anch’essi originati da un’idea nata e dimostrata sperimentalmente per la prima volta sul colle di Arcetri [5]), hanno gettato le basi per la realizzazione controllata di treni di impulsi agli attosecondi, per la nascita dell’attofisica, la scienza che studia tali fenomeni estremi, e in ultima analisi, per il premio Nobel di quest’anno.
Firenze continua a giocare un ruolo fondamentale nella ricerca di base e applicata nell’ambito delle scienze e tecnologie ottiche e quantistiche, con alcuni attori di primo piano nel panorama internazionale, quali il CNR-INO, Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche, il LENS, Laboratorio Europeo di Spettroscopia Nonlineare, e con il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università. La costante sinergia tra questi enti è stata di recente ulteriormente potenziata grazie ai finanziamenti del PNRR, che vedono Firenze protagonista di rilievo assoluto nell’Infrastruttura Nazionale di Ricerca I-PHOQS per la fotonica e le scienze quantistiche (proprio con il Politecnico di Milano come co-proponente assieme al CNR), nel Centro Nazionale in High-Performance Computing, Big Data e Quantum Computing, e nel partenariato Università-Enti-Imprese dell’Istituto Nazionale per le Scienze e le Tecnologie Quantistiche.
È proprio grazie a queste infrastrutture di ricerca di primissimo livello internazionale che la ricerca italiana ha prodotto e potrà continuare a produrre risultati di assoluta eccellenza e ad attrarre menti fertili di nuove idee.
MARCO BELLINI
Istituto Nazionale di Ottica – CNR
LENS Laboratorio Europeo di Spettroscopia Nonlineare, Firenze
Dipartimento di Fisica e Astronomia, Università degli Studi di Firenze
Riferimenti
[1] “Temporal coherence of ultrashort high-order harmonic pulses”
- Bellini, C. Lyngå, A. Tozzi, M. B. Gaarde, T. W. Hänsch, A. L’Huillier and C. G. Wahlström
Physical Review Letters, 81, 297-300 (1998)
[2] “Phase-locked high-order harmonic sources”
- Zerne, C. Altucci, M. Bellini, M. B. Gaarde, T. W. Hänsch, A. L’Huillier, C. Lyngå and C. G. Wahlström
Physical Review Letters, 79 (6), 1006-1009 (1997)
[3] “Temporal coherence of high-order harmonics”
- Lyngå, M. B. Gaarde, C. Delfin, M. Bellini, T. W. Hänsch, A. L’Huillier, and C.-G. Wahlström
Physical Review A, 60, 4823 (1999)
[4] “Extreme ultraviolet interferometry measurements with high-order harmonics”
- Descamps, C. Lyngå, J. Norin, A. L’Huillier, C.-G. Wahlström, J.-F. Hergott, H. Merdji, P. Salières, M. Bellini, and T. W. Hänsch
Optics Letters, 25,135-137 (2000)
[5] “Phase-locked white-light continuum pulses: towards a universal optical frequency comb synthesizer”
- Bellini and T. W. Hänsch
Optics Letters, 25, 1049-1051 (2000)