Un occhio per guardare dentro gli atomi e le molecole, per stanare gli elettroni quando si muovono sulle orbite intorno al nucleo durante una reazione chimica. È la luce coerente messa a punto nei laboratori del centro “Ultras” dell’Istituto Nazionale di Fisica della Materia-CNR e del dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, in collaborazione con le università di Padova e Bordeaux. “Per la prima volta abbiamo dimostrato che è possibile creare impulsi estremamente brevi sfruttando la generazione di armoniche di ordine elevato in gas nobili grazie a impulsi a femtosecondi”, spiega Mauro Nisoli, coordinatore del gruppo di ricerca che ha pubblicato questo risultato su Nature Physics. Una luce laser viene puntata su un mezzo gassoso da cui, in conseguenza della focalizzazione del laser, si liberano fotoni, una luce dagli impulsi brevissimi della durata di alcuni attosecondi (1 attosecondo corrisponde a un miliardesimo di miliardesimo di secondo), come un rapidissimo scatto di una macchina fotografica. Tutti i fenomeni legati al moto degli elettroni all’interno dell’atomo sono ancora troppo veloci per poter essere osservati direttamente e, per questo, costituiscono l’attuale frontiera dello studio dei fenomeni risolti temporalmente. L’elettrone dell’atomo di idrogeno, per esempio, compie una rotazione intorno al nucleo in circa 150 attosecondi, quindi per osservare e controllare gli elettroni in movimento bisogna utilizzare impulsi di luce della durata di alcuni attosecondi. Proprio come quelli messi a punto a Milano. “Con la nostra emissione di luce per la prima volta possiamo scendere anche sotto questo livello”, sottolinea il ricercatore.Il metodo messo a punto è ancora poco efficiente, dell’ordine di 10-6: “ a partire da un milione di fotoni impiegati per generare le armoniche, in uscita ne abbiamo solo uno”, spiega ancora Nisoli. “Ma sfruttiamo al meglio l’intero spettro, tutti i fotoni emessi vengono utilizzati”. Ma il miglioramento dell’efficienza rimane comunque uno dei punti cruciali per poter fare di questa tecnica un successo, e a questo il centro “Ultras” sta lavorando. Insieme anche agli altri gruppi coinvolti nel network “Xtras” finanziato dall’Unione Europea per la generazione e applicazione di raggi della lunghezza di attosecondi.“Negli ultimi anni c’è stata una gara per generare impulsi sempre più corti: solo cinque anni fa parlare di attosecondi era solo una curiosità, ma negli ultimi anni le nuove tecnologie laser le ricerche in questo settore si sono moltiplicate”, commenta il ricercatore. E si aprono prospettive anche per le applicazioni di questi studi, per esempio la possibilità di controllare a livello atomicoreazioni chimiche e molecole biologiche. Solo l’anno scorso, per esempio, è stata pubblicata una ricerca che descriveva un’immagine degli orbitali dell’atomo di azoto scattata con una luce di attosecondi. Ora però le proprietà di questa luce andrebbero sfruttate per avere immagini risolte nel tempo di quegli stessi orbitali, per vedere il movimento degli elettroni. “Diventa possibile seguire il moto degli elettroni negli atomi”, ha detto Nisoli, e “avere una visione tridimensionale di elettroni, atomi e molecole”. Il secondo passo sarà riuscire a intervenire, per esempio controllando una reazione chimica o interagire con gli elettroni in movimento: si tratta di cambiare i livelli energetici su cui viaggiano gli elettroni e indirizzare così la reazione nella direzione voluta, per esempio producendo più o meno di una determinata sostanza. Le conseguenze potrebbero essere importanti e potenzialmente rivoluzionarie sia per la biologia sia per la chimica.
