Tra le sfide che la scienza si è posta, in tutte le epoche, figura la misura del tempo. Con la comprensione dei processi che governano il moto dei corpi, si è imposta l’esigenza di misurare e confrontare i tempi caratteristici, le oscillazioni, i periodi. Dai moti dei corpi celesti alla dinamica dei corpi microscopici, la scala temporale nella quale si sono posti i fenomeni da osservare ha fatto balzi verso frazioni sempre più piccole di un secondo. Lo studio degli elettroni di un atomo o di una molecola mostra che il periodo del moto orbitale ha una durata tipica dell’ordine di alcuni femtosecondi. Un femtosecondo è pari ad un milionesimo di miliardesimo di secondo. Per dare l’idea della sua piccolezza, pensiamo che se il periodo orbitale di un elettrone durasse come il clic di una macchina fotografica, la durata di un secondo corrisponderebbe all’età dell’universo.

La fisica e la chimica contemporanee hanno tra i loro obiettivi la comprensione della dinamica a livello microscopico della materia, nelle sue forme di aggregazione. Per questo studio si impone la necessità di interagire con gli atomi usando strumenti in grado di indurre effetti e percepirne i cambiamenti nella loro stessa scala dei tempi. Tale scopo si è reso raggiungibile grazie all’ideazione, fatta nel 1996 presso il Politecnico di Milano, di un laser in grado di generare impulsi della durata di 4.5 femtosecondi. Per visualizzare un impulso di questa brevità, si può pensare alla luce emessa dal laser in termini di onde elettromagnetiche. Queste, al pari delle onde del mare, si propagano come una successione di massimi e minimi dell’intensità. Nel caso dei laser ordinari, o delle sorgenti di luce comuni, questi treni di onde contano migliaia o milioni di massimi. Nel caso dell’impulso di pochi femtosecondi, invece, l’onda possiede solo due o tre massimi. A seconda delle condizioni iniziali, questi possono avere ampiezza confrontabile oppure si ha un massimo più intenso e altri più deboli. Per specificare quale sia la condizione iniziale e quindi i rapporti tra i massimi, si parla di fase assoluta dell’impulso, che si misura in gradi al pari degli angoli. In questi termini, se la fase assoluta è zero si ha un massimo intenso e gli altri deboli, mentre se è pari a 90 gradi i massimi sono poco diversi.

In un esperimento svolto in collaborazione tra il Dipartimento di Elettronica e Informatica della Facoltà di Ingegneria dell'Ateneo patavino, il Politecnico di Milano e l’Istituto Max Planck per l’Ottica Quantistica di Garching, in Germania, si è riusciti per la prima volta ad osservare un fenomeno fisico in cui la risposta della materia è risultata legata direttamente alla fase assoluta dello stimolo laser. Si è studiata la ionizzazione di un gas nobile, il kripton, ossia il processo col quale si separano uno o più elettroni dal nucleo, provocata dall’irraggiamento con l’impulso laser di pochi femtosecondi. Nel caso in cui l’impulso laser possieda un massimo più intenso, si osserva che l’emissione di elettroni avviene in una direzione prevalente. Grazie ad una sofisticata strumentazione in grado di rivelare la distribuzione spaziale degli elettroni, questa asimmetria è risultata osservabile e misurabile. Fino ad ora, invece, si è potuto osservare la ionizzazione ottica solo in media, e cioè senza un legame diretto con l'evoluzione temporale del particolare stimolo impiegato. La descrizione dell’esperimento, che ha richiesto circa un anno di lavoro congiunto e che si è svolto a Milano, apparirà sulla rivista Nature il giorno 8 di novembre. Questo risultato pone una sfida alla teoria dei processi non lineari in ottica coerente, che deve proporre ora una descrizione quantistica del processo osservato, resa difficile proprio dal dover descrivere la rapida variazione temporale dello stimolo.

La portata di questo risultato si può comprendere pensando che gli sviluppi nella generazione di impulsi laser di questo tipo, detti ultrabrevi, e nella comprensione della loro interazione con la materia ha avuto ricadute positive in molti campi: ad esempio ha innalzato di migliaia di volte la velocità di comunicazione, usando la luce come veicolo, mediante l’utilizzo di fibre ottiche, o ha permesso di pensare concretamente a dispositivi, come i calcolatori ottici o le sorgenti compatte di radiazione coerente nell’estremo ultravioletto, un tempo confinati nella fantasia. In questo settore si può infatti osservare come le scoperte ed innovazioni avvenute all'incirca una decade fa abbiano oggi numerose applicazioni nella tecnologia avanzata. Si auspica quindi che il passo avanti compiuto nell'ambito dell'interazione coerente luce-materia preluda a nuovi sviluppi applicativi.

Lo sforzo sperimentale del gruppo di ricerca continua con lo scopo di governare la fase assoluta in una serie di processi elementari, con i quali si potranno osservare scale di tempi più corte di un femtosecondo. I fenomeni che si potrebbero quindi studiare in questo caso sono le transizioni degli elettroni più interni degli atomi, che risentono di forze più intense e che si muovono più rapidamente. La loro dinamica avviene nella scala dei tempi degli attosecondi, o millesimi di femtosecondo, e apre un capitolo nuovo della conoscenza fisica del mondo.

Referenze:

G.G. Paulus et al., Nature vol. 414 pag. 182, November 8^th, 2001;

P. Villoresi et al., Physical Review Letter vol. 85 pag. 2494, September 18^th, 2000;

S. De Silvestri et al., Le Scienze, Quaderno n. 110, p. 61, Ottobre 1999.