Un pendolo che compie una sola oscillazione

La ricerca su come è fatta la materia al livello degli atomi e su come si può modificarla necessita di strumenti che si rapportino alla piccolezza e alla rapidità dei moti atomici. Per questo la frontiera della Fisica Atomica è volta a sviluppare delle tecniche con le quali si può applicare un brevissimo stimolo ad un atomo, senza distruggerlo, e studiarne poi la reazione. Per valutare quanto rapido lo stimolo deve essere, si pensi che il tempo che impiega un elettrone per girare intorno al nucleo, analogamente alla Terra intorno al Sole nel periodo di un anno, equivale a pochi femtosecondi, ossia milionesimi di miliardesimo di secondo.
Perché poi si riesca a far compiere all'elettrone un processo stabilito, ossia a manipolarne il moto, il solo approccio realistico consiste nel guidarlo utilizzando un impulso laser. La luce riesce ad interagire fortemente con l'elettrone, fino a farlo allontanare dall'atomo di appartenenza e guidarlo a piacere.
La prima dimostrazione di questo metodo, utilizzando impulsi laser di pochi femtosecondi, è stato ottenuto da un gruppo di ricerca formato da scienziati padovani, del DEI e milanesi del Politecnico, in un progetto finanziato dall'Istituto Nazionale per la Fisica della Materia. Come analogia, se si considera l'effetto di impulsi luminosi comuni sulla materia, ciò che si ottiene è una periodica sollecitazione degli atomi, che vedono deformarsi la loro nube elettronica come nelle oscillazioni di un pendolo. Invece, nel caso dell'impulso utilizzato nei nuovi esperimenti, un elettrone viene scosso e prima allontanato ed poi ricondotto nell'atomo, oppure, come sperimentato in collaborazione con dei colleghi dell’Istituto Max Planck per l’Ottica Quantistica di Garching, in Germania, separato definitivamente. Questo impulso laser, detto a pochi cicli ottici, è quindi in grado di indurre solo una oscillazione.
I risultati, descritti in quattro lavori su prestigiose riviste scientifiche statunitensi, rappresentano dei risultati sperimentali molto significativi sia nella conoscenza della struttura della materia che nella prospettiva di controllare lo svilupparsi di reazioni chimiche e del calcolo quantistico.

1)    F. Grasbon et al. Above-Threshold Ionization at the Few-Cycle Limit, Physical Review Letters, vol. 91 173003, 24 ottobre 2003.
2)    P. Villoresi et al. Optimization of high-order harmonic generation by adaptive control of sub-10 fs pulse wavefront Optics Letter 15 gennaio 2004.
3)    M. Nisoli et al. Effects of carrier-envelope phase differences of few-optical-cycle light pulses in single-shot high-order-harmonic spectra Physical Review Letters, vol. 91 2139051, 21 Nov. 2003.
4)    G. Sansone et al. Effects of Physical Review Letters, accettato per la pubblicazione, 25 gennaio 2004.

Per informazioni:
Dr. Paolo Villoresi
Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione, Università degli Studi di Padova e
Istituto Nazionale per la Fisica della Materia, Laboratorio LUXOR – Padova
v. Gradenigo 6b, 35131 Padova,
tel 049 827 7644, paolo.villoresi@unipd.it