MAP - Magazine Alumni Politecnico di Milano #13

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26 RICERCA Cos’è un attosecondo? Si tratta di una unità di misura del tempo e rappresenta la scala temporale adatta per seguire il moto degli elettroni in atomi e molecole. Un attosecondo è pari a un milionesimo di milionesimo di milionesimo di secondo. Non esistono paragoni che ci permettano di capire quanto piccola sia questa unità di tempo: qualche volta si legge che il numero di attosecondi in un secondo è paragonabile al numero di secondi trascorsi dall’inizio dell’Universo, 13,8 miliardi di anni fa, a oggi. gassoso, che presenta una soglia di danneggiamento molto più alta. In questo modo è possibile comprimere impulsi con energia molto maggiore, dell’ordine dei millijoule. Dai nanojoule, cioè 10 – 9 joule, passiamo quindi a 10 – 3 joule, con un balzo di ben sei ordini di grandezza ». La nuova tecnica di compressione « permette di generare impulsi laser molto energetici e ultrabrevi. L’abbiamo dimostrata per la prima volta al Politecnico di Milano nel 1996: siamo partiti da 140 femtosecondi, durata del laser che avevamo a disposizione, e l’abbiamo compresso fino a 10 femtosecondi. A questo punto abbiamo pubblicato i risultati. Krausz ha capito le potenzialità di questa tecnica e ci ha chiesto di collaborare. Siamo andati a Vienna, dove Krausz aveva un laser in grado di generare impulsi da 25 femtosecondi, con elevata energia. Applicando la nostra tecnica abbiamo generato impulsi da 4,5 femtosecondi. Era il 1997 ». L’attosecondo è un’invenzione del nuovo millennio Utilizzando gli impulsi compressi con la tecnica della fibra cava, nel 2001 Krausz ottiene la prima misura sperimentale di impulsi ad attosecondi isolati! È una svolta epocale. Si è fatto qualcosa che, fino a pochi anni prima, sembrava impossibile. Ci sono volute due generazioni di scienziati e 20 anni di lavoro. Ora possiamo usare gli impulsi ultraveloci per guardare all’interno degli atomi e delle molecole. Se non sei un fisico, è difficile immaginare cosa significhi, per loro, « guardare »: diciamo che nascono e si sviluppano nuove tecniche di spettroscopia ad attosecondi. Già nel 2002, solo un anno dopo la prima dimostrazione sperimentale degli impulsi ad attosecondi, Krausz utilizza questi impulsi per misurare un rilassamento elettronico in atomi di krypton. Nel 2006, il gruppo di Nisoli, al Politecnico, pubblica la prima misura temporale completa di un impulso ad attosecondi. « È la prima caratterizzazione temporale completa, Il primo passo di Anne L’Huillier (1988) Un impulso laser ultrabreve ed intenso focalizzato su un gas è in grado di strappare un elettrone dagli atomi del mezzo gassoso. L’elettrone liberato dall’attrazione dell’atomo di partenza viene poi accelerato dal campo elettrico dell’impulso laser, che può poi riportarlo nella posizione iniziale. Durante questa uscita temporanea l’elettrone accumula energia e, tornando all’atomo di partenza, la rilascia sotto forma di luce. Et voilà un impulso laser più breve – molto più breve – di quello che avevi all’inizio.
in ampiezza e fase. Nel 2010 pubblichiamo la prima misura di pump and probe ad attosecondi su una molecola. Siamo partiti dalla molecola più semplice, quella d’idrogeno, e abbiamo seguito il moto elettronico all’interno della molecola immediatamente dopo l’interazione con un impulso ad attosecondi. Nel 2014 abbiamo utilizzato la stessa tecnica per studiare il processo di migrazione delle cariche elettriche in un amminoacido aromatico: la fenilalanina ». Nel 2021, Nisoli porta al Politecnico un ERC Synergy Grant, un finanziamento di quasi 12 milioni di euro in 6 anni, per approfondire cosa accade nelle molecole « immediatamente » (anzi, qualche attosecondo) dopo l’interazione con la luce. Arriviamo a oggi: nel 2023, Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier vincono il Nobel per la Fisica per le loro ricerche sugli impulsi ultrabrevi. « Non avevo dubbi che prima o poi il campo degli attosecondi avrebbe ricevuto un Premio Nobel. Sono molto orgoglioso che il mio gruppo abbia dato un contributo a questo settore di ricerca fin dall’inizio », commenta Nisoli. E adesso? A cosa servono gli impulsi ad attosecondi? A un sacco di cose. « La maggior parte dei processi fotochimici indotti dalla luce sono messi in moto dall’interazione con gli elettroni – spiega Nisoli. Il moto degli atomi si instaura successivamente a causa dell’accoppiamento fra i gradi di libertà elettronici e nucleari. Studiando la dinamica molecolare su scale temporali da poche decine di attosecondi a pochi femtosecondi, potremmo scoprire nuove tecniche sperimentali per controllare il moto degli elettroni all’interno della materia ». Per capire cosa accade dopo che la luce ha colpito una molecola bisogna tentare, per così dire, di fotografare quegli istanti con flash rapidissimi. Buona parte dei fenomeni naturali – in particolare quelli che si verificano a livello atomico – si realizzano in tempi rapidissimi, in intervalli temporali dell’ordine degli attosecondi. « Mi ha sempre RICERCA 27 affascinato l’idea di lavorare con la luce – racconta Nisoli – e fin dai tempi della tesi mi sono occupato di laser a impulsi ultrabrevi, all’interno del gruppo di ricerca fondato da Orazio Svelto, pioniere del campo non solo in Italia. A quei tempi lavoravamo soprattutto allo sviluppo di sistemi laser in grado di generare impulsi a femtosecondi per applicazioni alla spettroscopia risolta in tempo. Da allora, la tecnologia laser ha fatto passi da gigante e le applicazioni degli impulsi ultracorti sono in continuo sviluppo ». La ricerca nel settore della scienza ad attosecondi è un classico esempio di ricerca « blue sky ». Come spiega Nisoli, « in questi anni, grazie agli impulsi ad attosecondi, abbiamo iniziato ad indagare processi fisici di notevole importanza finora non esplorati. E lo abbiamo fatto guidati più dalla nostra curiosità che da possibili ricadute applicative, che indubbiamente verranno nei prossimi anni, come già è successo nel caso degli impulsi a femtosecondi ». ●
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