La sera del 3 ottobre 2023, in un annuncio importante, è stato svelato il Premio Nobel per la fisica per l'anno 2023, in riconoscimento degli straordinari 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 dall'incredibilmente breve scala temporale su cui opera, precisamente nell'ordine degli attosecondi, corrispondenti a 10-18 secondi. Per comprendere il profondo significato di questa tecnologia, è fondamentale comprendere a fondo il significato di un attosecondo. Un attosecondo rappresenta un'unità di tempo estremamente piccola, pari a un miliardesimo di miliardesimo di secondo nel contesto più ampio di un singolo secondo. Per mettere in prospettiva, se dovessimo paragonare un secondo a un'imponente montagna, un attosecondo sarebbe simile a un singolo granello di sabbia annidato ai piedi della montagna. In questo fugace intervallo temporale, persino la luce riesce a malapena a percorrere una distanza equivalente alle dimensioni di un singolo atomo. Grazie all'utilizzo dei laser ad attosecondi, gli scienziati acquisiscono la capacità senza precedenti di analizzare e manipolare le complesse dinamiche degli elettroni all'interno delle strutture atomiche, come in una riproduzione al rallentatore fotogramma per fotogramma di una sequenza cinematografica, approfondendo così la loro interazione.

Laser ad attosecondiRappresentano il culmine di un'ampia ricerca e di sforzi concertati da parte di scienziati che hanno sfruttato i principi dell'ottica non lineare per realizzare laser ultraveloci. Il loro avvento ci ha offerto 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 apprezzarne le caratteristiche non convenzionali rispetto ai laser convenzionali, è fondamentale esplorarne la categorizzazione all'interno della più ampia "famiglia laser". La classificazione per lunghezza d'onda colloca i laser ad attosecondi prevalentemente nell'intervallo di frequenze che va dall'ultravioletto ai raggi X molli, a indicare le loro lunghezze d'onda notevolmente più corte rispetto ai laser convenzionali. In termini di modalità di emissione, i laser ad attosecondi rientrano nella categoria dei laser pulsati, caratterizzati da durate degli impulsi estremamente brevi. Per chiarire ulteriormente il concetto, si può immaginare un laser a onda continua simile a una torcia elettrica che emette un fascio di luce continuo, mentre i laser pulsati assomigliano a una luce stroboscopica, che alterna rapidamente periodi di illuminazione e di buio. In sostanza, i laser ad attosecondi mostrano un comportamento pulsante in condizioni di illuminazione e di buio, ma la loro transizione tra i due stati avviene a una frequenza sorprendente, raggiungendo l'ordine degli attosecondi.

Un'ulteriore categorizzazione in base alla potenza colloca i laser in categorie a bassa, media e alta potenza. I laser ad attosecondi raggiungono un'elevata potenza di picco grazie alla durata estremamente breve degli impulsi, con conseguente pronunciata potenza di picco (P), definita come l'intensità di energia per unità di tempo (P = W/t). Sebbene i singoli impulsi laser ad attosecondi non possiedano un'energia (W) eccezionalmente elevata, la loro ridotta estensione temporale (t) conferisce loro un'elevata potenza di picco.

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

La categorizzazione per mezzo laser distingue i laser in laser a gas, laser a stato solido, laser a liquido e laser a semiconduttore. La generazione di laser ad attosecondi si basa tipicamente su mezzi laser a gas, sfruttando effetti ottici non lineari per generare armoniche di ordine superiore.

In sintesi, i laser ad attosecondi costituiscono una classe unica di laser a impulsi brevi, caratterizzati da durate degli impulsi straordinariamente brevi, tipicamente misurate 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, vantando un insieme di condizioni estremamente rigorose per la sua generazione. Per chiarire le complessità della generazione del laser ad attosecondi, iniziamo con una breve esposizione dei suoi principi fondamentali, seguita da vivide metafore tratte dall'esperienza quotidiana. I lettori non esperti dei complessi meccanismi della fisica in questione 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 Generazione di Alte Armoniche (HHG). In primo luogo, un fascio di impulsi laser a femtosecondi ad alta intensità (10-15 secondi) viene focalizzato su un materiale bersaglio gassoso. È importante notare che i laser a femtosecondi, simili ai laser ad attosecondi, condividono le caratteristiche di breve durata degli impulsi e di 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 transitoriamente in uno stato di elettroni liberi. Mentre questi elettroni oscillano in risposta al campo laser, alla fine tornano e si ricombinano con i loro nuclei atomici di origine, creando nuovi stati ad alta energia.

Durante questo processo, gli elettroni si muovono a velocità estremamente elevate e, ricombinandosi con i nuclei atomici, rilasciano ulteriore energia sotto forma di emissioni armoniche elevate, che si manifestano come fotoni ad alta energia.

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

Per demitizzare questo intricato processo, proponiamo un parallelo metaforico basato su 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 a quella degli impulsi laser a femtosecondi ad alta intensità.

Materiale bersaglio gassoso:

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

Movimento e ricombinazione degli elettroni (fisicamente definita transizione):

Quando gli impulsi laser a femtosecondi colpiscono gli atomi di gas all'interno del materiale bersaglio gassoso, un numero significativo di elettroni esterni viene momentaneamente eccitato fino a 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 tornano in prossimità dei nuclei atomici, rilasciando fotoni ad alta energia.

Generazione di alte armoniche:

Immaginate che ogni volta che una goccia d'acqua ricade sulla superficie del lago, si creino delle increspature, simili alle armoniche alte 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 allontana gli elettroni nel gas, analogamente alle increspature, dai loro atomi di origine e poi li riporta indietro. Ogni volta che un elettrone ritorna all'atomo, emette un nuovo raggio laser con una frequenza più alta, simile a schemi di increspature più intricati.

Filtraggio e focalizzazione:

Combinando tutti questi raggi laser di nuova generazione si ottiene uno spettro di vari colori (frequenze o lunghezze d'onda), alcuni dei quali costituiscono il laser ad attosecondi. Per isolare specifiche dimensioni e frequenze delle increspature, è possibile utilizzare un filtro specifico, simile a quello utilizzato per selezionare le increspature desiderate, e utilizzare una lente d'ingrandimento per focalizzarle su un'area specifica.

Compressione degli impulsi (se necessario):

Se si desidera propagare le increspature più velocemente e per tempi più brevi, è possibile accelerarne la propagazione utilizzando un dispositivo specializzato, riducendo la durata di ciascuna increspatura. La generazione di laser ad attosecondi implica una complessa interazione di processi. Tuttavia, una volta scomposta e visualizzata, diventa più comprensibile.