Trio vince il Premio Nobel per la fisica per uno sguardo di un istante al mondo super veloce di rotazione degli elettroni

3 ottobre 2023

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di DAVID KEYTON e MIKE CORDER

Tre scienziati hanno vinto il Premio Nobel per la fisica martedì per averci dato il primo rapido sguardo nel mondo super veloce degli elettroni che ruotano, un campo che potrebbe in futuro portare a miglioramenti nell'elettronica o nella diagnosi delle malattie.

Lelettroni si muovono così velocemente che sono stati fuori dalla portata degli sforzi umani per isolarli, ma guardando la più piccola frazione di secondo possibile, gli scienziati hanno ora una visione 'sfocata' di loro e ciò apre nuove possibilità nelle scienze, hanno detto gli esperti.

'Gli elettroni sono molto veloci, e gli elettroni sono davvero la forza lavoro ovunque', ha detto il membro del Comitato Nobel Mats Larsson. 'Una volta che potete controllare e capire gli elettroni, avete fatto un passo molto importante in avanti'.

L'Huillier, dell'Università di Lund in Svezia, è la quinta donna a ricevere il Nobel per la fisica.

'Per tutte le donne, dico che se siete interessate, se avete un po' di passione per questo tipo di sfide, allora andateci', ha detto all'Associated Press.

Gli scienziati, che hanno lavorato separatamente, hanno utilizzato impulsi laser sempre più rapidi per cogliere l'azione atomica che si è verificata a velocità così vertiginose - un miliardesimo di miliardesimo di secondo, conosciuto come attosecondo - proprio come i fotografi utilizzano otturatori veloci per catturare un colibrì che si nutre.

Quanto è piccolo?

"Prendiamo un secondo, che è il tempo di un battito cardiaco", ha detto il presidente del Comitato Nobel Eva Olsson. Per arrivare all'attosecondo, dovrebbe essere diviso per 1.000 sei volte.

Il fisico Mark Pearce, membro del Comitato Nobel, ha detto che "ci sono tanti attosecondi in un secondo quanti sono i secondi che sono passati dal Big Bang, 13,8 miliardi di anni fa".

Ma anche quando gli scienziati 'vedono' l'elettrone, c'è solo così tanto che possono osservare.

'Puoi vedere se è da una parte della molecola o dall'altra', ha detto L'Huillier, 65 anni. 'È comunque molto sfocato'.

'Gli elettroni sono molto più simili a onde, come onde d'acqua, che a particelle e ciò che cerchiamo di misurare con la nostra tecnica è la posizione della cima delle onde', ha aggiunto.

Gli elettroni sono fondamentali perché è così che si legano gli atomi, ha detto L'Huillier. È là che avvengono le reazioni chimiche.

'Gli elettroni sono, anche se non possiamo vederli, onnipresenti nella nostra vita - la nostra vita biologica e anche la nostra vita tecnica, nella nostra vita quotidiana', ha detto Krausz in una conferenza stampa. 'Nella nostra vita biologica, gli elettroni formano l'adesivo tra gli atomi, con cui formano le molecole e queste molecole sono quindi i mattoni funzionali più piccoli di ogni organismo vivente'.

E se vuoi capire come funzionano, devi sapere come si muovono, ha detto Krausz.

Al momento, questa scienza riguarda la comprensione del nostro universo, ma la speranza è che avrà eventualmente applicazioni pratiche nell'elettronica, nella diagnosi delle malattie e nella chimica di base.

L'Huillier ha detto che il suo lavoro mostra quanto sia importante lavorare sulla scienza fondamentale indipendentemente dalle future applicazioni: ci ha lavorato per 30 anni prima che possibili utilizzi nel mondo reale divenissero più evidenti.

L'Huillier stava insegnando fisica ingegneristica di base a circa 100 studenti universitari a Lund quando ha ricevuto la chiamata che aveva vinto, ma il suo telefono era in silenzio e non ha risposto. L'ha controllato durante una pausa e ha chiamato il Comitato Nobel.

Poi è tornata a insegnare.

'Ero molto concentrata, mi ero dimenticata del Premio Nobel e cercavo di finire la mia lezione', ha detto alla AP. Ha terminato la lezione un po' prima per poter parlare alla conferenza stampa che annunciava il premio alla Royal Swedish Academy of Sciences a Stoccolma.

'Questo è il più prestigioso e sono così felice di aver ottenuto questo premio. È incredibile', ha detto alla conferenza stampa. 'Come sapete, non ci sono così tante donne che hanno ottenuto questo premio, quindi è molto speciale'.

L'organizzazione Nobel ha pubblicato una foto di L'Huillier sui social media con un cellulare all'orecchio.

'Segnalazione di un'insegnante dedicata!', si legge nel post su X (in precedenza Twitter). 'Neppure il Premio Nobel per la fisica del 2023 potrebbe separare Anne L'Huillier dai suoi studenti'.

E L'Huillier ha detto che dato che il premio era un segreto al momento, non le era permesso dire agli studenti cosa fosse successo, ma ha detto che hanno indovinato.

Agostini, professore emerito presso l'Ohio State University, era a Parigi e il Comitato Nobel non è riuscito a contattarlo prima di annunciare la sua vittoria al mondo.

"Non ho ricevuto una telefonata dal comitato. Forse non è vero. Non lo so ", ha detto all'AP, ridendo. "Penso che il comitato mi stia cercando a Columbus".

"Ci sono certamente persone più giovani che l'avrebbero apprezzato molto più di me", ha scherzato l'ottantaduenne. "È bello, ma è un po' tardi per me".

Ma ha aggiunto: "Non penso che l'avrei meritato di più in precedenza!"

Krausz, dell'Istituto Max Planck di Ottica Quantistica e dell'Università Ludwig Maximilian di Monaco, ha detto ai giornalisti di essere stupito.

"Sto cercando di capire dal le 11:00... se sono nella realtà o se è solo un lungo sogno", ha detto il sessantunenne.

La telefonata del comitato Nobel diceva "nessuna ID chiamante" e Krausz di solito non risponde a quelle chiamate, ma questa volta ha detto: "Ho pensato di provare e poi è diventato chiaro che non posso riattaccare così velocemente".

L'anno scorso, Krausz e L'Huillier hanno vinto il prestigioso premio Wolf in fisica per il loro lavoro, condividendolo con lo scienziato dell'Università di Ottawa Paul Corkum. I premi Nobel sono limitati a solo tre vincitori e Krausz ha detto che è un peccato che non possano includere Corkum.

Corkum è stato fondamentale per come i rapidi lampi laser potevano essere misurati, cosa cruciale, ha detto Krausz.

I premi Nobel hanno un premio in denaro di 11 milioni di corone svedesi (1 milione di dollari) da un lascito del creatore del premio, l'inventore svedese Alfred Nobel.

Il premio per la fisica arriva un giorno dopo che due scienziati hanno vinto il Premio Nobel per la medicina per scoperte che hanno permesso la creazione di vaccini a mRNA contro il COVID-19.

L'Accademia Reale Svedese delle Scienze ha deciso di assegnare il Premio Nobel per la Fisica 2023 a

L'Università dello Stato dell'Ohio, Columbus, USA

Istituto Max Planck di Ottica Quantistica, Garching e Ludwig-Maximilians-Universität München, Germania

Università di Lund, Svezia

"per i metodi sperimentali che generano impulsi di luce attosecondi per lo studio della dinamica degli elettroni nella materia"

I tre Nobel Laureati in Fisica 2023 vengono riconosciuti per i loro esperimenti, che hanno fornito all'umanità nuovi strumenti per esplorare il mondo degli elettroni all'interno di atomi e molecole. Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L'Huillier hanno dimostrato un modo per creare impulsi di luce estremamente brevi che possono essere utilizzati per misurare i rapidi processi in cui gli elettroni si muovono o cambiano energia.

Gli eventi in rapido movimento si fondono l'uno nell'altro quando sono percepiti dagli esseri umani, proprio come un film composto da immagini statiche viene percepito come un movimento continuo. Se vogliamo indagare eventi davvero brevi, abbiamo bisogno di una tecnologia speciale. Nel mondo degli elettroni, i cambiamenti avvengono in poche decine di attosecondi - un attosecondo è così breve che ce ne sono tanti in un secondo quanti sono i secondi trascorsi dalla nascita dell'universo.

Gli esperimenti dei laureati hanno prodotto impulsi di luce così brevi che vengono misurati in attosecondi, dimostrando così che questi impulsi possono essere utilizzati per fornire immagini dei processi all'interno di atomi e molecole.

Nel 1987, Anne L'Huillier ha scoperto che molti diversi armonici di luce sorgono quando trasmetteva luce laser infrarossa attraverso un gas nobile. Ogni armonico è un'onda luminosa con un determinato numero di cicli per ogni ciclo della luce laser. Sono causati dall'interazione della luce laser con gli atomi nel gas; dà a alcuni elettroni energia aggiuntiva che poi viene emessa come luce. Anne L'Huillier ha continuato ad esplorare questo fenomeno, aprendo la strada a successivi progressi.

Nel 2001, Pierre Agostini è riuscito a produrre e studiare una serie di impulsi luminosi consecutivi, in cui ogni impulso durava solo 250 attosecondi. Allo stesso tempo, Ferenc Krausz stava lavorando con un altro tipo di esperimento, che rese possibile isolare un singolo impulso di luce che durava 650 attosecondi.

Le contribuzioni dei laureati hanno permesso l'indagine di processi così rapidi che prima erano impossibili da seguire.

"Possiamo ora aprire la porta al mondo degli elettroni. La fisica attosecondo ci offre l'opportunità di comprendere i meccanismi governati dagli elettroni. Il prossimo passo sarà utilizzarli", afferma Eva Olsson, presidente del Comitato Nobel per la Fisica.

Ci sono potenziali applicazioni in molti settori diversi. Nell'elettronica, ad esempio, è importante comprendere e controllare il comportamento degli elettroni in un materiale. Gli impulsi attosecondo possono anche essere utilizzati per identificare diverse molecole, ad esempio nella diagnostica medica.

Attraverso i loro esperimenti, i vincitori di quest'anno hanno creato lampi di luce sufficientemente brevi da scattare istantanee dei movimenti estremamente rapidi degli elettroni. Anne L'Huillier ha scoperto un nuovo effetto derivante dall'interazione della luce laser con gli atomi in un gas. Pierre Agostini e Ferenc Krausz hanno dimostrato che questo effetto può essere utilizzato per creare impulsi di luce più brevi di quanto fosse possibile in precedenza.

Un minuscolo colibrì può battere le ali 80 volte al secondo. Siamo in grado di percepirlo solo come un ronzio e un movimento sfocato. Per i sensi umani, i movimenti rapidi si confondono e gli eventi estremamente brevi sono impossibili da osservare. Dobbiamo usare trucchi tecnologici per catturare o rappresentare questi brevissimi istanti.

La fotografia ad alta velocità e l'illuminazione stroboscopica consentono di catturare immagini dettagliate di fenomeni fugaci. Una fotografia altamente focalizzata di un colibrì in volo richiede un tempo di esposizione molto più breve di un singolo battito d'ali.

Più veloce è l'evento, più velocemente dovrà essere scattata la foto per catturare l'istante.

Lo stesso principio si applica a tutti i metodi utilizzati per misurare o rappresentare processi rapidi; qualsiasi misurazione deve essere eseguita più rapidamente del tempo necessario affinché il sistema studiato subisca un cambiamento notevole, altrimenti il risultato è vago. I vincitori di quest'anno hanno condotto esperimenti che dimostrano un metodo per produrre impulsi di luce sufficientemente brevi da catturare immagini di processi all'interno di atomi e molecole.

La scala temporale naturale degli atomi è incredibilmente breve. In una molecola, gli atomi possono muoversi e girare in milionesimi di miliardesimo di secondo, femtosecondi. Questi movimenti possono essere studiati con gli impulsi più brevi che possono essere prodotti con un laser, ma quando interi atomi si muovono la scala temporale è determinata dai loro nuclei grandi e pesanti, che sono estremamente lenti rispetto agli elettroni leggeri e agili.

Quando gli elettroni si muovono all’interno degli atomi o delle molecole, lo fanno così velocemente che i cambiamenti vengono sfumati in un femtosecondo. Nel mondo degli elettroni, le posizioni e le energie cambiano a velocità comprese tra uno e poche centinaia di attosecondi, dove un attosecondo è un miliardesimo di miliardesimo di secondo.

Un attosecondo è così breve che il numero di essi in un secondo è uguale al numero di secondi trascorsi da quando l'universo è nato, 13,8 miliardi di anni fa. Su una scala più facilmente riconoscibile, possiamo immaginare un lampo di luce inviato da un'estremità di una stanza alla parete opposta: ciò richiede dieci miliardi di attosecondi.

Un femtosecondo è stato a lungo considerato il limite per i lampi di luce che era possibile produrre.

Il miglioramento della tecnologia esistente non era sufficiente per vedere i processi che si verificavano nei tempi sorprendentemente brevi degli elettroni; era necessario qualcosa di completamente nuovo. I vincitori di quest'anno hanno condotto esperimenti che hanno aperto il nuovo campo di ricerca della fisica degli attosecondi.

La luce è costituita da onde – vibrazioni nei campi elettrici e magnetici – che si muovono attraverso il vuoto più velocemente di qualsiasi altra cosa. Questi hanno lunghezze d'onda diverse, equivalenti a colori diversi. Ad esempio, la luce rossa ha una lunghezza d'onda di circa 700 nanometri, un centesimo della larghezza di un capello, e compie un ciclo di circa quattrocentotrentamila miliardi di volte al secondo. Possiamo pensare all'impulso di luce più breve possibile come alla lunghezza di un singolo periodo nell'onda luminosa, il ciclo in cui oscilla fino a un picco, scende fino a un minimo e torna al punto di partenza. In questo caso, le lunghezze d'onda utilizzate nei normali sistemi laser non riescono mai a scendere al di sotto del femtosecondo, quindi negli anni '80 questo era considerato un limite rigido per i lampi di luce più brevi possibili.

La matematica che descrive le onde dimostra che qualsiasi forma d'onda può essere costruita se vengono utilizzate abbastanza onde delle giuste dimensioni, lunghezze d'onda e ampiezze (distanze tra picchi e valli). Il trucco degli impulsi ad attosecondi è che è possibile creare impulsi più brevi combinando lunghezze d'onda più numerose e più corte.

Osservare i movimenti degli elettroni su scala atomica richiede impulsi di luce sufficientemente brevi, il che significa combinare onde corte di molte lunghezze d'onda diverse.

Per aggiungere nuove lunghezze d'onda alla luce, è necessario molto più di un semplice laser; la chiave per accedere all'istante più breve mai studiato è un fenomeno che si verifica quando la luce laser attraversa un gas. La luce interagisce con i suoi atomi e provoca sovratoni, onde che completano un numero di interi cicli per ciascun ciclo dell'onda originale. Possiamo paragonarlo agli armonici che conferiscono al suono il suo carattere particolare, permettendoci di sentire la differenza tra la stessa nota suonata su una chitarra e su un pianoforte.

Nel 1987, Anne L'Huillier e i suoi colleghi di un laboratorio francese furono in grado di produrre e dimostrare gli armonici utilizzando un raggio laser infrarosso trasmesso attraverso un gas nobile. La luce infrarossa

ha causato sfumature più numerose e più forti rispetto al laser con lunghezze d'onda più corte utilizzato negli esperimenti precedenti. In questo esperimento sono state osservate molte sfumature con circa la stessa intensità luminosa.

In una serie di articoli, L'Huillier ha continuato a esplorare questo effetto nel corso degli anni '90, anche nella sua nuova base, l'Università di Lund. I suoi risultati hanno contribuito alla comprensione teorica di questo fenomeno, gettando le basi per la successiva svolta sperimentale.

Quando la luce laser entra nel gas e ne colpisce gli atomi, provoca vibrazioni elettromagnetiche che distorcono il campo elettrico che trattiene gli elettroni attorno al nucleo atomico. Gli elettroni possono quindi sfuggire agli atomi. Tuttavia, il campo elettrico della luce vibra continuamente e, quando cambia direzione, un elettrone libero può ritornare al nucleo del suo atomo. Durante l'escursione l'elettrone ha raccolto molta energia extra dal campo elettrico della luce laser e, per riattaccarsi al nucleo, deve rilasciare l'energia in eccesso sotto forma di impulso luminoso. Questi impulsi luminosi provenienti dagli elettroni sono ciò che crea le sfumature che appaiono negli esperimenti.

L'energia della luce è associata alla sua lunghezza d'onda. L'energia nelle sfumature emesse è equivalente alla luce ultravioletta, che ha lunghezze d'onda più corte della luce visibile all'occhio umano. Poiché l'energia proviene dalle vibrazioni della luce laser, la vibrazione degli armonici sarà elegantemente proporzionale alla lunghezza d'onda dell'impulso laser originale. Il risultato dell'interazione della luce con molti atomi diversi sono onde luminose diverse con un insieme di lunghezze d'onda specifiche.

Una volta che queste sfumature esistono, interagiscono tra loro. La luce diventa più intensa quando i picchi delle onde luminose coincidono, ma diventa meno intensa quando il picco di un ciclo coincide con il minimo di un altro. Nelle giuste circostanze, gli armonici coincidono in modo tale che si verifichi una serie di impulsi di luce ultravioletta, dove ciascun impulso dura poche centinaia di attosecondi. I fisici hanno capito la teoria alla base di questo negli anni ’90, ma la svolta nell’identificazione e nel test degli impulsi si è verificata nel 2001.

Pierre Agostini e il suo gruppo di ricerca in Francia sono riusciti a produrre e studiare una serie di impulsi luminosi consecutivi, come un treno con vagoni. Hanno usato un trucco speciale, mettendo insieme il "treno di impulsi" con una parte ritardata dell'impulso laser originale, per vedere come gli armonici erano in fase tra loro. Questa procedura ha anche permesso loro di misurare la durata degli impulsi nel treno e hanno potuto vedere che ogni impulso durava solo 250 attosecondi.

Allo stesso tempo, Ferenc Krausz e il suo gruppo di ricerca in Austria stavano lavorando su una tecnica in grado di selezionare un singolo impulso, come una carrozza che viene sganciata da un treno e cambiata su un altro binario. L'impulso che sono riusciti a isolare è durato 650 attosecondi e il gruppo lo ha utilizzato per tracciare e studiare un processo in cui gli elettroni vengono allontanati dai loro atomi.

Questi esperimenti hanno dimostrato che gli impulsi ad attosecondi possono essere osservati e misurati e che potrebbero essere utilizzati anche in nuovi esperimenti.

Ora che il mondo degli attosecondi è diventato accessibile, questi brevi lampi di luce possono essere utilizzati per studiare i movimenti degli elettroni. Ora è possibile produrre impulsi fino a poche decine di attosecondi e questa tecnologia è in continuo sviluppo.

Gli impulsi ad attosecondi consentono di misurare il tempo necessario affinché un elettrone venga strappato via da un atomo e di esaminare come il tempo impiegato dipenda da quanto strettamente l'elettrone è legato al nucleo dell'atomo. È possibile ricostruire come la distribuzione degli elettroni oscilla da un lato all'altro o da un posto all'altro nelle molecole e nei materiali; in precedenza la loro posizione poteva essere misurata solo come media.

Gli impulsi di attosecondi possono essere utilizzati per testare i processi interni della materia e per identificare diversi eventi. Questi impulsi sono stati utilizzati per esplorare la fisica dettagliata di atomi e molecole e hanno potenziali applicazioni in settori che vanno dall’elettronica alla medicina.

Ad esempio, gli impulsi ad attosecondi possono essere utilizzati per spingere le molecole, che emettono un segnale misurabile.