Con un annuncio epocale, la sera del 3 ottobre 2023, è stato svelato il Premio Nobel per la fisica per l'anno 2023, riconoscendo gli eccezionali contributi di tre scienziati che hanno svolto un ruolo fondamentale come pionieri nel campo della tecnologia laser ad attosecondi.

Il termine "laser ad attosecondi" deriva il suo nome dalla scala temporale incredibilmente breve su cui opera, specificatamente nell'ordine degli attosecondi, corrispondenti a 10^-18 secondi. Per cogliere il significato profondo di questa tecnologia, è fondamentale una comprensione fondamentale di ciò che significa un attosecondo. Un attosecondo rappresenta un'unità di tempo estremamente minuscola, che costituisce un miliardesimo di miliardesimo di secondo nel contesto più ampio di un singolo secondo. Per mettere questo in prospettiva, se dovessimo paragonare un secondo a una montagna imponente, un attosecondo sarebbe simile a un singolo granello di sabbia annidato alla base della montagna. In questo fugace intervallo temporale, anche la luce riesce a malapena a percorrere una distanza equivalente alla dimensione di un singolo atomo. Attraverso l'utilizzo di laser ad attosecondi, gli scienziati acquisiscono la capacità senza precedenti di esaminare e manipolare le complesse dinamiche degli elettroni all'interno delle strutture atomiche, simile a una riproduzione al rallentatore fotogramma per fotogramma in una sequenza cinematografica, approfondendo così la loro interazione.

Laser ad attosecondirappresentano il culmine di ricerche approfondite e sforzi concertati da parte di scienziati, che hanno sfruttato i principi dell'ottica non lineare per creare laser ultraveloci. Il loro avvento ci ha fornito un punto di vista innovativo per l’osservazione e l’esplorazione dei processi dinamici che avvengono all’interno di atomi, molecole e persino elettroni nei materiali solidi.

Per chiarire la natura dei laser ad attosecondi e apprezzare le loro caratteristiche non convenzionali rispetto ai laser convenzionali, è imperativo esplorare la loro categorizzazione all’interno della più ampia “famiglia laser”. La classificazione in base alla lunghezza d'onda colloca i laser ad attosecondi prevalentemente all'interno della gamma delle frequenze dei raggi X morbidi e ultravioletti, a indicare le loro lunghezze d'onda notevolmente più corte rispetto ai laser convenzionali. In termini di modalità di uscita, i laser ad attosecondi rientrano nella categoria dei laser pulsati, caratterizzati dalla durata degli impulsi estremamente breve. Per tracciare un'analogia per chiarezza, si possono immaginare i laser a onda continua come simili a una torcia che emette un raggio di luce continuo, mentre i laser pulsati assomigliano a una luce stroboscopica, alternando rapidamente periodi di illuminazione e oscurità. In sostanza, i laser ad attosecondi mostrano un comportamento pulsante nell’illuminazione e nell’oscurità, ma la loro transizione tra i due stati avviene con una frequenza sorprendente, raggiungendo il regno degli attosecondi.

Un'ulteriore categorizzazione in base alla potenza colloca i laser nelle fasce di bassa potenza, media e alta potenza. I laser ad attosecondi raggiungono un'elevata potenza di picco grazie alla durata degli impulsi estremamente breve, che si traduce in una potenza di picco pronunciata (P) – definita come l'intensità dell'energia per unità di tempo (P=W/t). Sebbene i singoli impulsi laser ad attosecondi possano non possedere un'energia eccezionalmente grande (W), la loro estensione temporale abbreviata (t) conferisce loro una potenza di picco elevata.

In termini di domini applicativi, i laser abbracciano uno spettro che comprende applicazioni industriali, mediche e scientifiche. I laser ad attosecondi trovano la loro nicchia principalmente nel campo della ricerca scientifica, in particolare nell'esplorazione di fenomeni in rapida evoluzione nei settori della fisica e della chimica, offrendo una finestra sui rapidi processi dinamici del mondo microcosmico.

La categorizzazione in base al mezzo laser delinea i laser come laser a gas, laser a stato solido, laser liquidi e laser a semiconduttore. La generazione di laser ad attosecondi si basa tipicamente su mezzi laser a gas, che sfruttano effetti ottici non lineari per generare armoniche di ordine elevato.

In sintesi, i laser ad attosecondi costituiscono una classe unica di laser a impulsi brevi, contraddistinti dalla durata degli impulsi straordinariamente breve, tipicamente misurata in attosecondi. Di conseguenza, sono diventati strumenti indispensabili per osservare e controllare i processi dinamici ultraveloci degli elettroni all’interno di atomi, molecole e materiali solidi.

Il processo elaborato di generazione del laser ad attosecondi

La tecnologia laser ad attosecondi è all'avanguardia nell'innovazione scientifica e vanta una serie di condizioni sorprendentemente rigorose per la sua generazione. Per chiarire le complessità della generazione laser ad attosecondi, iniziamo con un'esposizione concisa dei suoi principi sottostanti, seguita da vivide metafore derivate da esperienze quotidiane. I lettori che non conoscono le complessità della fisica rilevante non devono disperare, poiché le metafore che seguono mirano a rendere accessibile la fisica fondamentale dei laser ad attosecondi.

Il processo di generazione dei laser ad attosecondi si basa principalmente sulla tecnica nota come High Harmonic Generation (HHG). Innanzitutto, un fascio di impulsi laser al femtosecondo ad alta intensità (10^-15 secondi) è strettamente focalizzato su un materiale bersaglio gassoso. Vale la pena notare che i laser a femtosecondi, simili ai laser ad attosecondi, condividono le caratteristiche di possedere brevi durate di impulso e un'elevata potenza di picco. Sotto l'influenza dell'intenso campo laser, gli elettroni all'interno degli atomi del gas vengono momentaneamente liberati dai loro nuclei atomici, entrando temporaneamente in uno stato di elettroni liberi. Quando questi elettroni oscillano in risposta al campo laser, alla fine ritornano e si ricombinano con i nuclei atomici genitori, creando nuovi stati ad alta energia.

Durante questo processo, gli elettroni si muovono a velocità estremamente elevate e, dopo la ricombinazione con i nuclei atomici, rilasciano energia aggiuntiva sotto forma di emissioni armoniche elevate, manifestandosi come fotoni ad alta energia.

Le frequenze di questi fotoni ad alta energia appena generati sono multipli interi della frequenza laser originale, formando quelle che vengono chiamate armoniche di ordine elevato, dove "armoniche" denota frequenze che sono multipli interi della frequenza originale. Per ottenere laser ad attosecondi, diventa necessario filtrare e focalizzare queste armoniche di ordine elevato, selezionando armoniche specifiche e concentrandole in un punto focale. Se lo si desidera, le tecniche di compressione degli impulsi possono abbreviare ulteriormente la durata dell'impulso, producendo impulsi ultracorti nell'ordine degli attosecondi. Evidentemente, la generazione di laser ad attosecondi costituisce un processo sofisticato e sfaccettato, che richiede un alto grado di abilità tecnica e attrezzature specializzate.

Per demistificare questo intricato processo, offriamo un parallelo metaforico radicato negli scenari quotidiani:

Impulsi laser a femtosecondi ad alta intensità:

Immagina di possedere una catapulta eccezionalmente potente in grado di scagliare istantaneamente pietre a velocità colossali, simile al ruolo svolto dagli impulsi laser al femtosecondo ad alta intensità.

Materiale bersaglio gassoso:

Immaginate un tranquillo specchio d'acqua che simboleggia il materiale gassoso bersaglio, dove ogni goccia d'acqua rappresenta una miriade di atomi di gas. L’atto di spingere le pietre in questo specchio d’acqua rispecchia analogamente l’impatto degli impulsi laser a femtosecondi ad alta intensità sul materiale gassoso bersaglio.

Movimento e ricombinazione degli elettroni (transizione fisicamente definita):

Quando gli impulsi laser a femtosecondi colpiscono gli atomi di gas all'interno del materiale gassoso bersaglio, un numero significativo di elettroni esterni vengono momentaneamente eccitati in uno stato in cui si staccano dai rispettivi nuclei atomici, formando uno stato simile al plasma. Man mano che l'energia del sistema diminuisce (poiché gli impulsi laser sono intrinsecamente pulsati, con intervalli di cessazione), questi elettroni esterni ritornano nelle loro vicinanze dei nuclei atomici, rilasciando fotoni ad alta energia.

Generazione armonica elevata:

Immagina che ogni volta che una goccia d'acqua ricade sulla superficie del lago, crea increspature, proprio come le armoniche elevate nei laser ad attosecondi. Queste increspature hanno frequenze e ampiezze più elevate rispetto alle increspature originali causate dall'impulso laser primario a femtosecondi. Durante il processo HHG, un potente raggio laser, simile al lancio continuo di pietre, illumina un bersaglio di gas, simile alla superficie del lago. Questo intenso campo laser spinge gli elettroni nel gas, analogamente alle increspature, lontano dai loro atomi genitori e poi li tira indietro. Ogni volta che un elettrone ritorna nell'atomo, emette un nuovo raggio laser con una frequenza più elevata, simile a schemi di ondulazioni più intricati.

Filtraggio e messa a fuoco:

La combinazione di tutti questi raggi laser appena generati produce uno spettro di vari colori (frequenze o lunghezze d'onda), alcuni dei quali costituiscono il laser ad attosecondi. Per isolare dimensioni e frequenze di ondulazione specifiche, è possibile utilizzare un filtro specializzato, simile alla selezione delle increspature desiderate, e utilizzare una lente di ingrandimento per focalizzarle su un'area specifica.

Compressione degli impulsi (se necessario):

Se il tuo obiettivo è propagare le increspature più velocemente e in modo più breve, puoi accelerarne la propagazione utilizzando un dispositivo specializzato, riducendo il tempo di durata di ciascuna increspatura. La generazione di laser ad attosecondi comporta una complessa interazione di processi. Tuttavia, se scomposto e visualizzato, diventa più comprensibile.