Quanto dura un attosecondo e come è possibile generare impulsi di luce così brevi

Un attimo? Molto, molto… meno: un attosecondo. Nel mondo degli elettroni, gli eventi avvengono così velocemente che, per descriverli, abbiamo bisogno di tecnologie speciali e di scale temporali estremamente brevi. Così fugaci che, pensare in secondi, decimi o millesimi di secondo, significherebbe registrare un numero troppo alto di movimenti o di cambiamenti di energia, quasi come guardare una foto con un tempo di esposizione troppo lungo. Per loro natura, gli elettroni, viaggiano infatti su scale temporali incredibilmente piccole, dell’ordine di pochi miliardesimi di miliardesimi di secondo: in altre parole, la loro posizione e la loro energia cambia a velocità comprese tra uno e poche centinaia di attosecondi, dove un attosecondo è un miliardesimo di miliardesimo di secondo.

Cos’è e quanto dura un attosecondo

Un attosecondo è un sottomultiplo del secondo che corrisponde a un trilionesimo di secondo, ovvero a un miliardesimo di miliardesimo di secondo. “Atto” è infatti il prefisso che indica 10 elevato alla -18, per cui un attosecondo è pari a 10 alla -18 parti di un secondo: questo significa che il numero di attosecondi in un secondo è praticamente uguale al numero di secondi trascorsi da quando l’universo è nato, circa 13,8 miliardi di anni fa. Per avere però un’idea più concreta della durata di un attosecondo, possiamo immaginare un lampo di luce che attraversa una stanza: per viaggiare da una parete all’altra, il lampo luminoso impiegherebbe circa dieci miliardi di attosecondi. Tantissimi nel mondo degli elettroni, dove i cambiamenti avvengono in pochi decimi di attosecondo.

Un attosecondo (as) è quindi una misura di tempo usata per studiare i fenomeni più veloci, come appunto le dinamiche degli elettroni negli atomi e nelle molecole, attraverso strumenti in grado di catturare immagini di questi processi. Tali strumenti sono gli impulsi di luce estremamente brevi. Ed è ai vincitori del Nobel 2023 per la Fisica, Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier che si deve lo sviluppo delle tecnologie in grado di crearli e quindi la possibilità di indagare su processi così rapidi e, in precedenza, impossibili da seguire.

Come generare impulsi di luce così brevi

Creare impulsi di luce estremamente brevi, chiamati impulsi ad attosecondi, permette di scattare istantanee dei movimenti estremamente rapidi degli elettroni. In quest'ambito, i vincitori del Nobel 2023 per la Fisica hanno mostrato come generarli, aprendo un nuovo campo di ricerca, chiamato Fisica degli attosecondi. Il “trucco” principale è stato quello di combinare onde corte di molte lunghezze d’onda diverse, qualcosa che è possibile ricorrendo non solo a un semplice laser, ma anche all’interazione della luce con gli atomi in un gas nobile.

In altre parole, quando un impulso laser viene propagato in un tubo di gas nobili, come xeno o argon, il gas viene ionizzato dal laser e gli elettroni liberati oscillano sotto l’effetto del campo elettrico del laser. Quando gli elettroni ritornano sugli ioni, rilasciano l’energia in eccesso producendo impulsi di luce ad attosecondi.

Gli impulsi ad attosecondi consentono di misurare il tempo necessario affinché un elettrone venga strappato via da un atomo e di esaminare come il tempo impiegato dipenda da quanto queste particelle subatomiche sono strettamente legate al nucleo dell’atomo. Grazie a questa misura è possibile ricostruire in che modo la distribuzione degli elettroni oscilli da un lato all’altro o da un posto all’altro in atomi e molecole, qualcosa che in precedenza poteva essere misurato solo come media. Ciò ha permesso di testare i processi interni della materia e identificare diversi eventi, con applicazioni non solo nella Fisica degli atomi e delle molecole ma anche in settori che vanno dall’elettronica alla medicina.