A una francese il premio Nobel per la fisica
di Vincenzo Rampolla
Alcuni processi in fisica avvengono in un batter d'occhio, mentre altri avvengono nel pulsare di un fotone. Il Premio Nobel 2023 per la fisica è stato assegnato per aver sviluppato il campo degli impulsi laser ultraveloci alla francese 65enne Anne L'Huillier, Università di Lund (Svezia), a Pierre Agostini, francese naturalizzato, Ohio State University e a Ferenc Krausz, Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching (Germania). Huillier è la quinta donna ad aver vinto il Premio Nobel per la fisica. La prima è stata Marie Curie, nel 1903; 60 anni dopo Maria Goeppert-Mayer, Donna Strickland nel 2018, nel 2020 a Andrea Ghez e ora ad Anne L'Huillier.
Il premio è stato ovviamente una sorpresa per i suoi destinatari. Quando L’Huillier è stata informata, era nel pieno di una lezione e ha perso le prime chiamate da Stoccolma. Dopo essere finalmente uscita per rispondere alla chiamata, è tornata alla lezione, dove ha continuato a insegnare senza dire nulla ai suoi studenti. Insegnare è molto, molto importante. Per me è vitale, ha detto al telefono a Hans Ellegren, Segretario Generale dell'Accademia Reale Svedese delle Scienze, durante l'annuncio del premio.
Contemporaneamente, il Nobel 2023 per la chimica è andato a Moungi Bawendi, Louis Brus e Alexei Ekimov per i cosiddetti punti quantici (quantum dots) considerati la base per moltissime tecnologie, dalle comunicazioni all'ottica e per i futuri computer superveloci o la diagnosi per immagini in biomedicina.
Gli impulsi ultraveloci sono della scala dell'attosecondo: un miliardesimo di miliardesimo di secondo, durata così breve che un singolo secondo contiene tanti attosecondi quanti sono stati i secondi nell'intera storia dell'universo. Secondo il comunicato stampa dell’Accademia Reale Svedese delle Scienze, il premio è stato assegnato per lo sviluppo di metodi sperimentali che generano impulsi di luce di attosecondi per lo studio della dinamica degli elettroni nella materia.
La scienza dell'attosecondo consente di affrontare questioni fondamentali, dichiara Eva Olsson, Presidente del Comitato per il Nobel per la fisica. A livello atomico, i movimenti degli elettroni e dei nuclei avvengono tipicamente nel corso di attosecondi. Alla fine del XIX secolo i primi fotografi utilizzarono le macchine fotografiche per determinare se al galoppo un cavallo staccava tutti gli zoccoli da terra, processo troppo veloce perché l'occhio umano potesse discernerlo [i cavalli lasciano completamente il terreno]. I ricercatori di oggi sperano di fare l’equivalente su scale temporali di attosecondi utilizzando laser ultraveloci per ottenere visualizzazioni più chiare di processi atomici altrimenti sfocati.
Se si considera l'impatto dei processi ultraveloci, questi sono inerenti a molti importanti meccanismi della vita, sostiene Ursula Keller, fisica presso il Politecnico federale di Zurigo. I processi che implicano la conversione dei fotoni in elettroni, come la fotosintesi e persino la visione di base, avvengono tutti in tempi di attosecondi. Il sogno è vedere gli elettroni muoversi. E penso che questo si stia avvicinando sempre di più alla realtà, conferma Carla Faria, fisica teorica presso l’University College di Londra.
Gli scienziati che navigano nello studio di attosecondi hanno esultato per il premio. Sono davvero emozionatissimo e orgoglioso delle persone che hanno ricevuto il Premio Nobel, afferma László Veisz, fisico dell'Università di Umeå, Svezia. Keller concorda e non smette di elogiare la Huillier. Questa donna se lo merita davvero assolutamente, dice. E spero che non si dica più che qualcuno ha vinto il premio Nobel solo perché è una donna o una simile fesseria.
Generare luce con impulsi estremamente brevi non è facile. Per molti anni gli impulsi luminosi sono rimasti bloccati nell’ordine dei femtosecondi (un femtosecondo equivale a 1000 attosecondi), appena sufficiente per osservare le molecole nelle reazioni chimiche [scoperta che ha ottenuto il Premio Nobel per la Chimica nel 1999], ma non basta per individuare le acrobazie degli elettroni più veloci. Il problema è fondamentale: anche il più breve impulso laser ottico fisicamente ottenibile ha durata di pochi femtosecondi. Non è possibile generare un impulso inferiore a una lunghezza d'onda, assicura Mauro Nisoli, fisico del Politecnico di Milano in Italia. Quindi, per superare la barriera dei femtosecondi, i fisici hanno dovuto produrre fasci di luce con lunghezze d’onda più corte.
È così che si procede. È un processo detto generazione di armoniche elevate (HHG), in cui un elettrone assorbe diversi fotoni a bassa energia e emette un singolo fotone ad alta energia. Ma decenni fa l’HHG sembrava offrire rendimenti decrescenti, con il numero di fotoni emessi che diminuivano man mano che l’energia aumentava e alla fine invece diminuivano. Poi, nel 1987, Anne Huillier e i suoi colleghi hanno sparato un laser a infrarossi attraverso il gas argon ed è successo qualcosa di straordinario: invece di diminuire all’aumentare dell’energia, il numero di fotoni emessi è rimasto costante. La scoperta di questo fenomeno da parte di Anne Huillier, ribadisce Keller. è stato il punto di svolta decisivo.
Sono bastati pochi anni per capire i meccanismi delle strutture HHG altamente specializzate. Gli elettroni nel gas argon stavano eseguendo una complessa oscillazione in tre fasi: prima scavavano un tunnel quantistico lontano dall’atomo, poi acceleravano allontanandosi e infine ripiombavano dentro per rilasciare la loro energia come un fotone ad alta energia. Durante un impulso laser iniziale il fenomeno si è ripetuto più volte ed è esploso in un sequenza di lampi di luce ultraveloci, generati dal gas e su scala di attosecondi.
Difficile? Sì, linguaggio tecnico di specialisti. Incomprensibile? No. In realtà non è difficile, è solo diverso, normale, come due medici che parlano di ptialismo da attivazione parasimpatica. Basta limitarsi a intuire, non capire a fondo, che cos’è un attosecondo e seguire i nuovi passi tracciati dalla scienziata. Rivoluzionare il metodo di lavoro e passare dalle strutture HHG a una sorgente pulsante in attosecondi ha richiesto alla Huillier due innovazioni decisive. Primo, misurare i tempi degli impulsi e, secondo, generare un singolo impulso isolato. E come si misura la durata di qualcosa che è la durata più breve? In genere, quando i laser devono essere temporizzati, vengono misurati con l’impulso laser più breve. Che significa? Bisogna misurarlo con se stesso. Ah! La tecnica che utilizza questo principio è chiamata gating ottico in frequenza (FROG), inutilizzabile per gli impulsi ad attosecondi perché hanno un’energia troppo bassa. (Le tecniche laser prendono spesso il nome da animali…)
Partendo da FROG, Agostini, compagno di squadra della Huillier, ha disegnato un nuovo approccio detto RABBIT (Ricostruzione del battito degli attosecondi mediante interferenza delle transizioni di due fotoni), che funziona combinando il campo elettrico di un laser ottico con gli impulsi degli attosecondi. Krausz, nel frattempo, terzo compagno di squadra del trio Nobel, ha sviluppato in modo indipendente un altro metodo, simile per i suoi singoli impulsi e chiamato striatura degli attosecondi. Gli scienziati hanno alla fine potuto calcolare la durata degli impulsi più brevi del mondo, disponendo di diverse sorgenti di attosecondi con cui osservare l’universo su una scala temporale fino ad allora inimmaginabile.
Con nuove sonde sviluppate da Agostini, Krausz e Huillier, ora i tre ricercatori hanno potuto generare impulsi laser di poche decine di attosecondi. Ulteriori perfezionamenti di questi metodi per generare impulsi sempre più brevi permettono di approfondire la comprensione della dinamica e delle applicazioni degli elettroni. Il fisico Nisoli sottolinea che mentre i laser a femtosecondi possono essere utilizzati per monitorare da vicino le reazioni chimiche, gli impulsi ad attosecondi sono così precisi che possono essere utilizzati per spostare gli elettroni stessi, suscitando potenzialmente un passaggio dall’osservazione passiva al controllo attivo della chimica su scale senza precedenti. Gli impulsi di attosecondi possono persino controllare le proprietà dei solidi, trasformando in un lampo un isolante in un conduttore e viceversa.
Tra le prime ricadute del controllo di processi ultraveloci, ci sono anche esplorazioni più importanti come lo studio più dettagliato del famoso effetto fotoelettrico di Einstein, nel quale un fotone che colpisce un metallo, provoca l’emissione di un elettrone da parte del metallo. Tutti hanno sempre pensato che l’emissione fosse istantanea, ma la fisica degli attosecondi ha dimostrato il contrario, dando il via a una valanga di nuovi studi teorici.
(consultazione Stoccolma, cerimonia di consegna dei premi Nobel 2023 della fisica e della chimica)
