MISURATI A SCALE TEMPORALI DELL’ATTOSECONDO

Salti quantici visti da vicino

Quando un atomo di elio viene colpito da un fotone dotato della giusta energia, un elettrone viene strappato dall’atomo, ionizzandolo. Fino a pochi anni fa questo processo era considerato istantaneo, ma grazie a un nuovo studio ora ne conosciamo le scale temporali con una precisione inferiore al trilionesimo di secondo. I risultati sono riportati sull’ultimo numero di Nature Physics

Un impulso laser colpisce un atomo di elio. Un elettrone viene strappato dell'atomo, e l'altro può cambiare il proprio stato quantico. Crediti: TU Wien

Un impulso laser colpisce un atomo di elio. Un elettrone viene strappato dell’atomo, e l’altro può cambiare il proprio stato quantico. Crediti: TU Wien

Nel mondo della fisica quantistica accadono cose difficili da immaginare, specialmente per noi che siamo abituati a osservare un mondo macroscopico. All’interno di un atomo, ad esempio, un elettrone può cambiare il proprio stato, “saltando” da un livello a un altro ad energia superiore. In questo caso si dice che l’atomo ha assorbito un fotone, e gli scienziati hanno a lungo considerato questo processo pressoché istantaneo. Tuttavia, uno studio pubblicato sull’ultimo numero della rivista Nature Physics dimostra che è possibile studiare la scala temporale di questi cambiamenti di stato.

La ricerca è stata condotta sfruttando un apparato sperimentale che permette di osservare scale temporali subatomiche grazie a impulsi laser molto brevi. Questo innovativo strumento ha permesso ai ricercatori di indagare scale temporali fino ad ora inaccessibili, dell’ordine dell’attosecondo (pari a 10-18 secondi, ovvero un trilionesimo di secondo). La parte teorica del progetto è stata sviluppata dal team di Joachim Burgdorfer, della University of Technology (UT) di Vienna. L’esperimento è stato condotto presso il Max-Planck-Institute for Quantum Optics di Garching, in Germania.

I ricercatori si sono concentrati su atomi di elio. Un atomo di elio neutro possiede due elettroni, e quando viene colpito da un impulso laser con l’energia giusta può perdere uno dei due elettroni, e venire quindi ionizzato. Questo processo avviene su una scala temporale dell’attosecondo. Per confronto, un battito di ciglia ha una durata di qualche decina di millisecondi, vale a dire milioni di miliardi di attosecondi.

Da sinistra a destra: Stefan Nagele, Joachim Burgdörfer e Renate Pazourek. Crediti: TU Wien

Da sinistra a destra: Stefan Nagele, Joachim Burgdörfer e Renate Pazourek. Crediti: TU Wien

«Si potrebbe immaginare che l’elettrone rimasto nell’atomo non svolga un ruolo importante in questo processo, ma non è così», spiega Renate Pazourek, ricercatrice presso la UT di Vienna e co-autrice dello studio. «Quando un elettrone viene rimosso dall’atomo, una parte dell’energia introdotta nel sistema può essere trasferita al secondo elettrone, che rimane nell’atomo, ma viene portato a uno stato di energia superiore», dice Stefan Nagele, della UT di Vienna.

Esisteranno dunque due processi di ionizzazione differenti: uno in cui l’elettrone rimasto legato acquista energia, e uno in cui questo secondo elettrone rimane nel suo stato iniziale. Grazie al sofisticato apparato sperimentale di cui disponevano i ricercatori, è stato possibile dimostrare che la durata di questi due processi non è identica.

«Quando l’elettrone che rimane nell’atomo passa ad uno stato eccitato, il processo di fotoionizzazione è leggermente più veloce, di circa cinque attosecondi», afferma Nagele. I dati sperimentali concordano così bene con i calcoli teorici e le simulazioni sviluppate al computer che i ricercatori sono riusciti a misurare il tempo zero dell’effetto fotoelettrico con una precisione di un venticinquesimo dell’unità di tempo atomica, ovvero meno di un attosecondo.

«La precisione di questo esperimento è inferiore a un attosecondo, e ciò significa che abbiamo misurato il tempo di un salto quantico con l’accuratezza migliore di sempre», aggiunge Pazourek. L’esperimento fornisce nuove e preziose informazioni sulla fisica delle scale temporali ultra corte. Processi che fino a pochi decenni fa erano considerati istantanei possono ora essere visti nella loro corretta sequenza temporale, che è possibile calcolare e controllare. Questo ci permette non solo di comprendere le leggi fondamentali della natura, ma anche di manipolare la materia su scala quantica.

Per saperne di più:

  • Leggi su Nature Physics l’articolo “Attosecond correlation dynamics” di M. Ossiander, F. Siegrist, V. Shirvanyan, R. Pazourek, A. Sommer, T. Latka, A. Guggenmos, S. Nagele, J. Feist, J. Burgdörfer, R. Kienberger e M. Schultze