Nobel per la Fisica 2023, attosecondi e potenziali riflessi per il mondo dell'elettronica

Il Nobel per la Fisica 2023 legato agli studi sugli elettroni, riconosciuto a Pierre Agostini (Ohio State University), Ferenc Krausz (Max Planck Institute of Quantum Optics) e Anne L'Huillier (Lund University) potrebbe avere potenziali implicazioni anche nel settore dei semiconduttori.

I tre studiosi sono stati insigniti del prestigioso riconoscimento per i metodi sperimentali che hanno dato al mondo "nuovi strumenti per esplorare il mondo degli elettroni all'interno di atomi e molecole". Agostini, Krausz e L'Huillier hanno dimostrato un modo per creare impulsi di luce estremamente brevi che possono essere usati per misurare i rapidi processi che portano al moto o al cambiamento di energia degli elettroni.

Per spiegare meglio di cosa si tratta, l'Accademia svedese ha usato l'esempio del colibrì. "Un minuscolo colibrì può battere le ali 80 volte al secondo. Siamo in grado di percepirlo solo come un suono ronzante 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".

I vincitori di quest'anno hanno condotto esperimenti in grado di dimostrare un metodo per produrre impulsi di luce sufficientemente brevi che consentono di catturare immagini di processi all'interno di atomi e molecole. Più precisamente questi impulsi agiscono come se fossero una luce stroboscopica, che illumina gli elettroni mentre si muovono dando modo di studiarli.

La scala temporale naturale degli atomi è incredibilmente breve. In una molecola, gli atomi possono muoversi in milionesimi di un miliardesimo di secondo, femtosecondi. Questi movimenti possono essere studiati con gli impulsi più brevi mai prodotti con un laser. Il problema è che ciò non basta se si vogliono studiare gli elettroni che si muovono all'interno degli atomi o delle molecole.

Nel mondo degli elettroni, le posizioni e le energie mutano 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 loro numero in un secondo è uguale al numero di secondi trascorsi dalla nascita dell'universo, 13,8 miliardi di anni fa" riporta l'Accademia.

Un femtosecondo è stato a lungo considerato il limite per gli impulsi di luce che era possibile produrre e il miglioramento delle tecnologie esistenti non sarebbe bastato ad andare oltre. Gli esperimenti di Agostini, Krausz e L'Huillier hanno aperto a un nuovo campo di ricerca della fisica degli attosecondi.

Gli impulsi di attosecondi consentono di misurare il tempo necessario affinché un elettrone venga strappato via da un atomo, ed esaminare come il tempo impiegato dipenda da quanto strettamente è legato l'elettrone al nucleo dell'atomo.

È possibile ricostruire come oscilla la distribuzione degli elettroni da un lato all'altro o da una posizione all'altra in molecole e materiali; in precedenza la loro posizione poteva solo essere misurata come media. Gli impulsi di attosecondi possono essere usati per testare i processi interni della materia e per identificarne 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. Nell'elettronica consentiranno di comprendere e controllare come gli elettroni si comportano in un materiale.

Ad esempio, gli impulsi ad attosecondi possono essere usati per spingere le molecole, che possono emettere un segnale misurabile. Il segnale proveniente dalle molecole ha una struttura speciale, un tipo di impronta digitale che rivela di quale molecola si tratta, e le possibili applicazioni di questo includono la diagnostica medica.

Entrando leggermente nel dettaglio, nel 1987 Anne L'Huillier ha scoperto che molti ipertoni diversi di luce si formavano trasmettendo una luce laser infrarossa attraverso un gas nobile. Ogni ipertono è un'onda luminosa con un dato numero di cicli per ciascun ciclo nella luce laser. Questi sono causati dalla luce laser che interagisce con gli atomi nel gas; fornisce ad alcuni elettroni energia extra che viene poi emessa come luce. Anne L'Huillier ha continuato a esplorare questo fenomeno, gettando le basi per successive scoperte.

Nel 2001 Pierre Agostini riuscì a produrre e studiare una serie di impulsi luminosi consecutivi, in cui ciascun impulso durava appena 250 attosecondi. Allo stesso tempo, Ferenc Krausz stava lavorando con un altro tipo di esperimento, quello che permetteva di isolare un singolo impulso luminoso della durata di 650 attosecondi.

"Ora possiamo aprire la porta al mondo degli elettroni. La fisica degli attosecondi ci offre l'opportunità di comprendere i meccanismi governati dagli elettroni. Il prossimo passo sarà utilizzarli" ha affermato Eva Olsson, presidente del Comitato per il Nobel per la Fisica.

Negli ultimi decenni quanto fatto dai nuovi premi Nobel è stato ulteriormente affinato, consentendo di studiare il movimento degli elettroni intorno ai nuclei degli atomi. Ora si possono produrre impulsi di poche decine di attosecondi, ma l'obiettivo è andare oltre.

Agostini, Krausz e L'Huillier hanno ricevuto 11 milioni di corone svedesi, circa 950 mila euro, divisi in parti uguali.