Congelare l'attimo: il Nobel per la Fisica 2023 premia la fisica degli attosecondi

"Congelare l'attimo" è una espressione usata spesso in fotografia per indicare la capacità di catturare con precisione l'immagine di un oggetto in movimento (in inglese, “freezing motion”). Per oggetti veloci, come un'auto in corsa o il battito delle ali di un colibrì, il tempo di esposizione di una macchina fotografica deve essere almeno sotto il centesimo di secondo e può scendere fino a 1 o 2 millesimi di secondo. Ma un attimo, nella scienza, può avere una durata molto molto più breve: a livello atomico e molecolare, gli elettroni si muovono nella scala temporale degli attosecondi, cioè miliardesimi di miliardesimi di secondo (nella notazione scientifica, 10^-18 s). Dunque, è solo producendo e rivelando impulsi di luce ad attosecondi che diviene possibile "fotografare" lo stato dinamico degli elettroni nella materia.

L'assegnazione del Premio Nobel per la fisica nel 2023, con la seguente motivazione: "for experimental methods that generate attosecond pulses of light for the study of electron dynamics in matter", va a riconoscere proprio le ricerche che hanno portato a rendere concreta la fisica degli attosecondi, aprendo nuove vie alla comprensione delle proprietà fisiche e chimiche della materia (anche biologica) e quindi del funzionamento dei dispositivi basati sui materiali. I tre premiati, in ugual misura, sono, in ordine alfabetico, Pierre Agostini della Ohio State University, Ferenc Kraus, Direttore del Max Planck Institute for Quantum Optics di Garching, e Anne L'Huillier dell'Università di Lund in Svezia.

Nel 1987 Anne L'Huillier condusse un esperimento nei laboratori di Paris-Saclay mostrando che un laser a femtosecondi in un gas nobile genera un gran numero di diverse armoniche della luce laser, che potrebbero avere durata dell'ordine degli attosecondi. Una conferma rigorosa arrivò solo nel 2001, quando Pierre Agostini riuscì a produrre e caratterizzare una serie di impulsi luminosi consecutivi, ciascuno della durata di 250 attosecondi. Nello stesso anno, Ferenc Krausz, lavorando a un esperimento di altro tipo, riuscì a isolare un singolo impulso di luce della durata di 650 attosecondi.

Anche la ricerca italiana nella fisica degli impulsi ultracorti ha avuto una sua parte in questo Nobel, sia con il gruppo creato da Orazio Svelto al Politecnico di Milano sia con le attività svolte presso il Laboratorio LENS a Firenze. Il gruppo di Milano ha collaborato con Krausz mettendo a disposizione la tecnica per la compressione di impulsi laser ad alta energia, che nel 1997 permise di ottenere impulsi laser di 4,5 femtosecondi (10^-15 s), poi utilizzati da Krausz per generare gli impulsi ad attosecondi. Presso il LENS, Marco Bellini, collaborando con Theodor Hänsch (Nobel 2005) e Anne L'Huillier, nel 1998 mostrò per la prima volta il ruolo delle diverse traiettorie degli elettroni coinvolti nel processo di generazione di armoniche.

Vale forse anche la pena ricordare che la fisica degli attosecondi era già stata premiata nel 2022, con il Premio Wolf per la fisica, un riconoscimento considerato quasi allo stesso livello del Nobel. Accade abbastanza spesso che uno scienziato riceva entrambi i riconoscimenti (per esempio, Giorgio Parisi li ha ricevuti entrambi nel 2021, e i Nobel 2022 Alain Aspect e Anton Zeilinger avevano ricevuto il Premio Wolf anni prima del Nobel). In questo caso, la curiosità sta nel fatto che il Premio Wolf 2022 era andato a Anne l'Huillier, Ferenc Krausz e Paul Corkum. Corkum è un fisico canadese che aveva proposto un modello semiclassico di collisioni che spiegava la formazione degli impulsi ultrabrevi. La motivazione del Nobel 2023, però, cita lo sviluppo di metodi sperimentali e questo spiega la sua esclusione e invece il riconoscimento ad Agostini.

La scienza degli attosecondi permetterà di esplorare aspetti fondamentali delle interazioni e correlazioni elettroniche, come la formazione e lo scioglimento dei legami chimici o i limiti dello scambio ed elaborazione di informazioni basati sugli elettroni. Dal lato delle applicazioni pratiche, peraltro, è altamente promettente l’uso di sorgenti coerenti a larga banda per metrologia, imaging e diagnostica medica di grandissima precisione. Chi fosse interessato ad approfondire i temi della fisica degli attosecondi può leggere due articoli di rassegna pubblicati da Agostini e Krausz rispettivamente nel 2004 e 2009. È anche interessante la presentazione della facility internazionale ELI-ALPS (Extreme Light Infrastructure Attosecond Light Pulse Source), pubblicata nel 2017.