Tecnica per osservare il mondo ultraveloce degli elettroni vince il Premio Nobel per la fisica 2023

Scorci del mondo ultraveloce degli elettroni stanno cambiando la visione degli scienziati sul funzionamento interno di atomi e molecole. Il Premio Nobel per la fisica 2023 va a tre fisici che hanno illuminato questo regno con impulsi di luce ultracorti, ha annunciato il 3 ottobre l’Accademia reale svedese delle scienze.

I fisici Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier si divideranno il premio di 11 milioni di corone svedesi (circa 1 milione di dollari), assegnato “per metodi sperimentali che generano impulsi di luce ad attosecondi per lo studio della dinamica degli elettroni nella materia”.

All'interno degli atomi e delle molecole, gli elettroni sfrecciano a velocità estreme. Catturare il loro andirivieni è possibile solo con impulsi luminosi estremamente brevi. È simile al flash di una fotocamera che dura solo attosecondi, o miliardesimi di miliardesimo di secondo.

Da tempo gli esseri umani cercano di misurare i processi con sempre maggiore precisione, afferma Peter Armitage, fisico della Johns Hopkins University. "Con l'avvento dei laser, i tempi che è possibile misurare sono diventati sempre più brevi [perché] lo si fa con impulsi di luce ultraveloci."

Nel corso di decenni, i ricercatori hanno affinato la capacità di creare tali esplosioni di luce quasi istantanee (SN: 3/12/10). Negli anni '80, L'Huillier, ora all'Università di Lund in Svezia, notò che la luce laser infrarossa inviata attraverso un gas creava luce di una varietà di lunghezze d'onda, quella che è nota come generazione di alte armoniche. L’effetto è il risultato del modo in cui la luce interagisce con gli elettroni nel gas, attraverso un processo che la ricerca di L’Huillier ha contribuito a chiarire.

Queste altre lunghezze d'onda, note come armonici o armonici, sono simili agli armonici che contribuiscono a conferire agli strumenti musicali i loro suoni distintivi. Sommando insieme le giuste combinazioni di sovratoni si ottengono impulsi di luce molto brevi. Con questo metodo, i ricercatori guidati da Agostini, ora presso la Ohio State University di Columbus, nel 2001 hanno prodotto una serie di impulsi luminosi, ciascuno dei quali durava appena 250 attosecondi. Lo stesso anno, Krausz, ora presso l'Istituto Max Planck di ottica quantistica di Garching, in Germania, e colleghi hanno creato singoli impulsi della durata di soli 650 attosecondi. Oggi gli scienziati possono realizzare impulsi molto più brevi, lunghi decine di attosecondi.

"Sono stato personalmente affascinato da questo campo fin dall'inizio, ed è per questo che ho continuato a coltivarlo per molti, molti anni", ha detto L'Huillier in una telefonata durante l'annuncio. L’Huillier è solo la quinta donna a ricevere il Nobel per la fisica. "Non ci sono così tante donne che ricevono questo premio, quindi è molto, molto speciale", ha detto.

Gli scienziati hanno utilizzato questa tecnica per esplorare il comportamento degli elettroni all'interno di atomi e molecole. Ad esempio, la tecnica ha rivelato la scala temporale dell’effetto fotoelettrico, in cui la luce fa uscire un elettrone da un atomo, e dettagli del tunneling quantistico, in cui gli elettroni passano attraverso barriere che sembrano insormontabili (SN: 7/6/17).

La tecnica rivela anche il comportamento delle molecole. "Puoi osservare i movimenti delle molecole stesse, essenzialmente per realizzare filmati sul movimento molecolare", afferma Armitage. “E questo è di grande interesse per tutti i tipi di cose: per [tutto] capire perché alcuni materiali sono superconduttori ad alte temperature alle applicazioni fotovoltaiche, raccogliendo energia dalla luce…. Penso che sia proprio giusto all’inizio.”

Robert Rosner, fisico teorico dell'Università di Chicago, afferma che un'applicazione prevede la progettazione di materiali da zero. "La chimica riguarda il modo in cui gli elettroni... interagiscono tra loro", afferma. "È come costruire una casa, e devi sapere cosa viene fatto prima e qual è il passo successivo." Ma in questo caso, vuoi seguire cosa fanno gli elettroni durante la sintesi chimica, che è qualcosa che possono fare gli impulsi di luce ultracorti. "Apre davvero un modo completamente nuovo di pensare a come realizziamo effettivamente le cose."

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