MAP - Magazine Alumni Politecnico di Milano #13

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24 RICERCA Dal Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, Mauro Nisoli e il suo gruppo di ricerca hanno collaborato con Ferenc Krausz alla generazione di impulsi ad attosecondi Ecco gli scienziati italiani dietro al Premio Nobel per la Fisica 2023 di Irene Zreick Mauro Nisoli Alumnus Ingegneria Elettronica Professore ordinario di Fisica della Materia e Direttore del laboratorio Attosecond Research Center Politecnico di Milano QUELLA DEGLI ATTOSECONDI è una delle storie scientifiche più importanti degli ultimi 100 anni. Una di quelle storie in cui qualcosa sembra impossibile… finché non viene fatto. È anche una di quelle storie che raccontano bene come una scoperta scientifica sia frutto di sforzi collettivi da parte di una comunità di scienziati che lavorano insieme, per decenni, anche a distanza (e lo facevano anche quando non era mainstream). Ed è una storia che nel 2023 culmina (ma non finisce) con l’assegnazione del Premio Nobel per la Fisica a tre scienziati: Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier, « per i metodi sperimentali che generano impulsi ad attosecondi di luce per lo studio delle dinamiche degli elettroni nella materia ». A seguito di questa assegnazione, sono emersi i contributi di altri scienziati che hanno fortemente contribuito alle recenti scoperte, e in particolare uno che ci riguarda molto da vicino. Al Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, Mauro Nisoli è professore ordinario di Fisica della Materia e Direttore del laboratorio Attosecond Research Center. È un pioniere della fisica degli attosecondi e il lavoro del suo gruppo di ricerca è alla base degli esperimenti che hanno portato alla generazione e alla caratterizzazione di impulsi luminosi « estremamente brevi », della durata di un miliardesimo di miliardesimo di secondo, utilizzati per studiare il moto degli elettroni all’interno di atomi e molecole. Gli abbiamo chiesto di raccontarci questa storia: ecco come è andata. Un gruppo di fisici vuole « vedere » come si muovono gli elettroni all’interno della materia dopo l’interazione con la luce La storia di questo Nobel – e dell’attosecondo – inizia negli anni ’80. Inizia perché alcuni scienziati si sono messi in testa di voler guardare cosa succede all’interno delle molecole – e degli atomi – quando colpiti da un impulso di luce breve e di elevata energia. Ma c’è un problema: gli elettroni si muovono più velocemente
RICERCA 25 di quanto le nostre strumentazioni riescano a cogliere con gli strumenti dell’epoca. Mentre il moto degli atomi si svolge sulla scala temporale dei femtosecondi (un femtosecondo è pari a un milionesimo di miliardesimo di secondo, ovvero 10 – 15 secondi), gli elettroni si muovono molto più velocemente, sulla scala temporale degli attosecondi, cioè 10 – 18 secondi. Quindi, se vogliamo essere in grado di seguire (e misurare) il moto degli elettroni, dobbiamo utilizzare impulsi laser con durate inferiori al femtosecondo. Solo che… non si possono produrre impulsi di luce con durate inferiori a un ciclo ottico, che è determinato dalla lunghezza d’onda della luce. In genere, un laser a femtosecondi produce impulsi nella regione del visibile o del vicino infrarosso. Per poter generare impulsi ad attosecondi bisogna prima accorciare la lunghezza d’onda della luce. Negli anni ’80, pare ancora un’impresa impossibile. E invece… Fino agli anni ’90 si crede che il femtosecondo sia un limite invalicabile Nel 1988, la scienziata Anne L’Huillier scopre che, focalizzando impulsi laser ultrabrevi (siamo ancora nel reame dei femtosecondi) e di elevata intensità su un gas nobile, si generano effetti altamente nonlineari che portano alla produzione di luce a lunghezza d’onda molto più corta di quella del laser di partenza (e quindi con un ciclo ottico molto più breve). Ha scoperto il fenomeno di generazione di armoniche di ordine elevato. Spoiler alert: la scoperta di L’Huillier è il primo passo che porterà ad abbattere la barriera del femtosecondo e riuscire a studiare fenomeni anche alla scala dell’attosecondo. Ma, a questo punto della storia, non ci siamo ancora arrivati. Siamo all’alba degli anni ’90 e siamo in grado di generare impulsi laser con durate di pochi femtosecondi utilizzando opportune tecniche di compressione. Ecco la ricetta: si prendono gli impulsi laser e si focalizzano all’interno di una fibra ottica dove vengono prodotte nuove lunghezze d’onda. Attenzione: funziona solo con impulsi con bassa energia, dell’ordine di pochi nanojoule, altrimenti si brucia immediatamente la fibra ottica. La questione, quindi, diventa quella di generare impulsi laser costituiti da pochi cicli ottici e di energia sufficiente per poter produrre le armoniche di ordine elevato. 1996-1997: è qui che entrano in gioco i nostri È il 1996 quando Nisoli e il suo gruppo di ricerca, composto anche dai noti scienziati politecnici Orazio Svelto e Sandro De Silvestri, pubblicano un paper che è davvero il plot twist di questa storia: dimostrano, per la prima volta, il funzionamento di una nuova tecnica che permette di comprimere impulsi laser ad alta energia. Spiega Nisoli: « Invece di utilizzare una fibra ottica, abbiamo utilizzato un capillare di vetro riempito con un gas nobile. Gli impulsi laser sono quindi focalizzati in un mezzo
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