Nel 2023, un gruppo di tre ricercatori è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica per un lavoro che ha rivoluzionato il modo in cui gli scienziati studiano l’elettrone, sfruttando brevi lampi di luce della durata di un attosecondo. Questo riconoscimento ha portato all’attenzione del mondo la straordinaria capacità di analizzare e comprendere il comportamento degli elettroni a una scala temporale prima inimmaginabile. In questo articolo, esploreremo la durata di un attosecondo, la sua importanza nella ricerca scientifica e come queste brevi pulsazioni di luce possano svelare i segreti della materia.
Cos’è un attosecondo?
Per comprenderne l’entità, dobbiamo affrontare la questione fondamentale: quanto dura un attosecondo? “Atto” è il prefisso di notazione scientifica che rappresenta 10^-18, il che significa un punto decimale seguito da 17 zeri e un 1. Un flash di luce che dura un attosecondo è quindi un impulso luminoso estremamente breve, pari a 0,000000000000000001 di secondo.
Per dare un’idea più chiara, il numero di attosecondi in un secondo è approssimativamente equivalente al numero di secondi nell’età dell’universo. Questo fatto sorprendente mette in evidenza quanto siano brevi queste pulsazioni di luce.
Precedentemente, gli scienziati potevano studiare il movimento di nuclei atomici più pesanti e più lenti utilizzando impulsi luminosi della durata di femtosecondi, che corrispondono a 10^-15 secondi. Mille attosecondi costituiscono un femtosecondo. Tuttavia, per comprendere il comportamento degli elettroni, è necessario generare impulsi luminosi in attosecondi, poiché gli elettroni si muovono troppo rapidamente per essere analizzati con precisione al livello dei femtosecondi.
Impulsi di attosecondi
La ristrutturazione degli elettroni negli atomi e nelle molecole è alla base di molti processi in fisica e sottende praticamente ogni aspetto della chimica. Pertanto, i ricercatori hanno investito molto sforzo per capire come si muovono e si riorganizzano gli elettroni.
Tuttavia, gli elettroni si muovono molto rapidamente nei processi fisici e chimici, il che li rende difficili da studiare. Per investigare tali processi, gli scienziati utilizzano la spettroscopia, un metodo per esaminare come la materia assorbe o emette luce. Tuttavia, per seguire gli elettroni in tempo reale, è necessario avere impulsi luminosi più brevi del tempo necessario agli elettroni per riorganizzarsi.
Per fare un’analogia, immaginiamo una macchina fotografica che può scattare solo esposizioni lunghe, di circa 1 secondo. Gli oggetti in movimento, come una persona che corre verso la macchina fotografica o un uccello che attraversa il cielo, apparirebbero sfocati nelle foto scattate, e sarebbe difficile capire esattamente cosa sta accadendo. Ora, immaginiamo di utilizzare una macchina fotografica con un’esposizione di 1 millisecondo. In questo caso, i movimenti precedentemente sfocati sarebbero ben definiti e precisi. Questo è esattamente ciò che accade quando si utilizza la scala temporale attosecondo invece di quella dei femtosecondi: è come se passassimo da un’immagine sfocata a una nitida.
La ricerca sugli attosecondi
Quali domande di ricerca possono essere affrontate con le pulsazioni in attosecondo? Ecco alcune delle scoperte e delle applicazioni più significative di questa tecnologia:
1. Rottura dei legami chimici
La rottura di un legame chimico è un processo fondamentale in natura, in cui gli elettroni condivisi tra due atomi si separano per formare atomi non legati. Durante questo processo, gli elettroni precedentemente condivisi subiscono cambiamenti ultra-rapidi, e le pulsazioni in attosecondo hanno reso possibile per i ricercatori seguire la rottura di un legame chimico in tempo reale. Questa osservazione offre una visione senza precedenti dei meccanismi sottostanti a reazioni chimiche cruciali.
2. Studio delle molecole singole
La spettroscopia ad attosecondo ha consentito ai ricercatori di studiare il comportamento degli elettroni all’interno di singole molecole. Questo livello di dettaglio è fondamentale per comprendere le reazioni chimiche a livello molecolare, come la migrazione delle cariche e la rottura dei legami atomici.
3. Comportamento in materiali liquidi e solidi
La tecnologia degli attosecondi è stata applicata per studiare come gli elettroni si comportano in vari ambienti, tra cui l’acqua liquida e i semiconduttori a stato solido. Queste ricerche sono essenziali per comprendere le proprietà elettroniche dei materiali, con implicazioni dirette nella scienza dei materiali e nell’industria.
Conclusioni
Con la capacità di generare pulsazioni luminose in attosecondi, i ricercatori stanno raggiungendo una comprensione sempre più profonda delle particelle fondamentali che compongono la materia. La capacità di catturare processi a livello attosecondo ha aperto nuove vie per lo studio e il controllo delle reazioni chimiche, nonché per la comprensione della dinamica della materia a livello fondamentale.
L’assegnazione del Premio Nobel per la Fisica nel 2023 a tre ricercatori che hanno contribuito in modo significativo a questa rivoluzionaria area di ricerca sottolinea l’importanza di comprendere il comportamento degli elettroni e le implicazioni profonde che questo ha in molti campi della scienza. La ricerca attosecondo non solo ci permette di guardare più da vicino il mondo microscopico, ma ci apre anche nuove prospettive per la progettazione di materiali, la produzione di energia e lo sviluppo di nuove tecnologie. In un mondo guidato dalla scienza e dalla tecnologia, l’illuminazione attosecondo rappresenta una delle pietre miliari più significative del progresso scientifico.
