Atomi sotto i riflettori

È lo strumento più preciso che i fisici hanno a loro disposizione. La luce infatti può indagare e catturare i più intimi fenomeni che hanno luogo all’interno della materia. Ma per osservare in tempo reale i più veloci processi atomici, è necessario che i flash di luce non oltrepassino l’ineffabile soglia dell’attosecondo, ossia del miliardesimo di miliardesimo di secondo. Un traguardo in gran parte già raggiunto. Eppure, non sufficiente: bisogna esercitare un controllo estremamente accurato non soltanto sulla durata dell’impulso, ma anche sull’evoluzione della sua forma nel corso del tempo. Un passo cruciale in questo ambito è stato ora compiuto, come annuncia Nature, da un gruppo di ricercatori austriaci e tedeschi, coordinati da Ferenc Krausz della Technische Universität di Vienna, i quali sono riusciti per la prima volta a misurare e controllare la cosiddetta fase assoluta di un impulso laser ultrabreve e ad alta intensità. “Questo risultato”, sottolinea Andrius Baltuska, membro del team austro-tedesco, “rimuove l’ostacolo più serio sulla via dell’attofisica e consentirà molte applicazioni altrimenti irrealizzabili”.Un impulso ultrabreve di luce laser è costituito da poche oscillazioni del campo elettrico e del campo magnetico di cui l’onda luminosa si compone. Mentre la potenza media di un tale sistema è piuttosto bassa, tipicamente non più di alcuni watt, l’intensità “di picco” di un impulso laser con pochi cicli di oscillazione è estremamente elevata, dell’ordine di alcuni terawatt (un milione di milioni di watt) e oltre. A tale riguardo, i fisici sono soliti descrivere un’onda, e quindi in particolare un impulso luminoso, come un’”onda portante” – il segnale che fa da supporto all’informazione che si vuole trasmettere – sovrapposta a un “inviluppo”, cioè la linea che si ottiene congiungendo a un dato istante i picchi d’intensità dell’onda portante. Nel tempo, però, l’inviluppo e la portante tendono a sfasarsi: questa circostanza, che si evidenzia in special modo per gli impulsi laser ultrabrevi, ha delle ripercussioni negative sulla precisione delle misurazioni che si vogliono eseguire con tali radiazioni. “Il primo obiettivo del nostro lavoro”, spiega Baltuska, “è stato proprio quello di rendere stabile la fase assoluta tra portante e inviluppo di impulsi laser ultrabrevi e, quindi, di misurarne il valore. Utilizzando un particolare amplificatore laser, abbiamo sviluppato un metodo per monitorare e compensare lo sfasamento”. Così da stabilizzare la fase portante-inviluppo. Un risultato mai ottenuto in precedenza.Stabilizzatane la fase assoluta, Krausz, Baltuska e colleghi hanno inviato gli impulsi laser ultrabrevi e ad alta potenza dentro un tubo riempito con del gas nobile, il neon. In questa situazione, gli atomi di gas hanno reagito essenzialmente in due modi. Alcuni sono stati ionizzati rapidamente, perdendo alcuni elettroni dei livelli più esterni del guscio atomico. Altri invece hanno assorbito gli impulsi per poi irradiare a loro volta raggi X “molli”, con frequenze, chiamate armoniche, multiple di quella del laser. I cui impulsi, grazie alla fase portante-inviluppo resa costante, erano tutti identici tra loro. La conseguenza è stata che gli elettroni strappati ai loro atomi da tali impulsi uguali hanno seguito le stesse traiettorie. Si sono venute così a formare delle correnti elettriche all’interno della materia ionizzata e gli spostamenti degli elettroni sono stati rilevati e controllati con grande accuratezza: “L’equilibrio della fase assoluta”, sottolinea Baltuska, “ci ha permesso di ridurre la durata dei nostri impulsi laser, migliorando la risoluzione temporale – stimata intorno ai 250 attosecondi – con cui abbiamo potuto investigare il moto degli elettroni”. L’effetto congiunto di generare impulsi di luce ultrabrevi e di controllarne stabilmente la forma può dunque permettere non solo di osservare, ma perfino di manipolare l’evoluzione dei fenomeni all’interno degli atomi, nel cuore cioè della materia. Dal canto loro, gli attofisici austriaci e tedeschi, leader indiscussi nel loro campo di ricerca, non hanno certo intenzione di perdere tempo: “Stiamo già lavorando”, ci dice Baltuska, “per produrre impulsi luminosi ancora più brevi e più stabili. Grazie a cui, in un futuro prossimo, potremmo condurre esperimenti di spettroscopia atomica ai livelli energetici più vicini al nucleo”.