Gli scienziati dell’Università di Costanza hanno sviluppato un metodo che utilizza lampi di luce al femtosecondo per generare impulsi elettronici della durata di circa cinque attosecondi. Questo risultato, che fornisce una risoluzione temporale più elevata rispetto alle onde luminose, apre la strada all’osservazione di fenomeni ultraveloci, come le reazioni nucleari.
I fisici dell’Università di Costanza hanno generato uno dei segnali più brevi mai prodotti dall’uomo.
I processi molecolari o allo stato solido in natura possono talvolta verificarsi su intervalli di tempo brevi come i femtosecondi (quadrilionesimi di secondo) o gli attosecondi (quintillionesimi di secondo). Le reazioni nucleari sono più veloci. Ora, Maxim Tsarev, Johannes Thurner e Peter Baum, scienziati dell’Università di Costanza, utilizzano un nuovo apparato sperimentale per ottenere segnali con una durata di attosecondi, cioè miliardesimi di nanosecondo, aprendo nuovi orizzonti nel campo dei fenomeni ultraveloci.
Nemmeno le onde luminose possono raggiungere una tale risoluzione temporale perché una singola oscillazione impiega troppo tempo per farlo. Gli elettroni forniscono una cura qui, perché consentono una risoluzione temporale molto più elevata. Nella loro configurazione sperimentale, i ricercatori di Costanza hanno utilizzato coppie di lampi di luce al femtosecondo di un laser per generare impulsi di elettroni estremamente brevi in un raggio nello spazio libero. I risultati sono pubblicati sulla rivista Fisica della natura.
Come hanno fatto gli scienziati a questo proposito?
Analogamente alle onde dell’acqua, anche le onde luminose possono sovrapporsi per formare le creste e gli avvallamenti delle onde stazionarie o viaggianti. I fisici hanno scelto gli angoli di incidenza e le frequenze in modo tale che gli elettroni coinvolti nella propagazione, che volano nel vuoto a metà della velocità della luce, si sovrappongano alle creste e alle cavità delle onde luminose esattamente alla stessa velocità.
La cosiddetta forza motrice profonda spinge gli elettroni verso il punto più basso dell’onda successiva. Pertanto, dopo una breve interazione, viene generata una serie di impulsi elettronici di durata molto breve, soprattutto al centro del treno di impulsi, dove i campi elettrici sono molto forti.
Per un breve periodo, la durata degli impulsi elettronici è solo di circa cinque attosecondi. Per comprendere questo processo, i ricercatori hanno misurato la distribuzione della velocità degli elettroni rimasti dopo la compressione. “Invece di una velocità molto uniforme degli impulsi di uscita, si vede una distribuzione molto ampia risultante dalla forte decelerazione o accelerazione di alcuni elettroni durante la compressione”, spiega il fisico Johannes Thurner. «Ma non solo: la distribuzione non è uniforme, ma consiste piuttosto in migliaia di passi di velocità, poiché solo un numero intero di coppie di particelle di luce alla volta può interagire con gli elettroni.
Importanza della ricerca
Lo scienziato afferma che la meccanica quantistica è una sovrapposizione temporale (sovrapposizione) di elettroni con se stessi, dopo aver sperimentato la stessa accelerazione in tempi diversi. Questo effetto è rilevante per gli esperimenti di meccanica quantistica, ad esempio per l’interazione tra elettroni e luce.
È anche sorprendente: le onde elettromagnetiche piane, come un raggio di luce, normalmente non possono causare cambiamenti permanenti nella velocità degli elettroni nel vuoto, perché l’energia totale e la quantità di moto totale di un elettrone massiccio e di una particella leggera hanno massa zero (Fotone) non può essere salvato. Tuttavia, la presenza di due fotoni contemporaneamente in un’onda che viaggia ad una velocità inferiore a quella della luce risolve questo problema (effetto Kapitza-Dirac).
Per Peter Baum, professore di fisica e capo del gruppo Luce e materia dell’Università di Costanza, questi risultati rappresentano ancora chiaramente ricerca di base, ma sottolinea il grande potenziale per la ricerca futura: “Se una sostanza entra in collisione con due dei nostri impulsi brevi e ad intervalli di tempo variabili, il primo impulso può attivarsi. Per modificare il secondo impulso può essere utilizzato per la sorveglianza, in modo simile al flash di una fotocamera.
Dal suo punto di vista, il grande vantaggio è che nel principio empirico non è coinvolta alcuna materia e tutto avviene nello spazio libero. In linea di principio, in futuro si potrebbero utilizzare laser di qualsiasi potenza per ottenere una pressione più forte. “La nostra nuova pressione fotonica ci consente di spostarci in nuove dimensioni del tempo e forse anche di immaginare reazioni nucleari”, afferma Baum.
Riferimento: “Controllo quantistico ottico non lineare delle onde di materia elettronica libera” di Maxim Tsarev, Johannes W. Thurner e Peter Baum, 12 giugno 2023, Fisica della natura.
doi: 10.1038/s41567-023-02092-6
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