Scoperto un nuovo sistema per generare lampi di luce ultraveloci

Un team di ricerca internazionale composto dall’Istituto di fotonica e nanotecnologia del CNR, dal Politecnico di Milano, dal DESY di Amburgo e dal Massachusetts Institute of Technology è riuscito a sintetizzare “forme d’onda ottica” mediante la sovrapposizione sincronizzata di diversi impulsi di luce. Questi impulsi di luce, che possono essere “scolpiti” secondo i desideri dell’utente, saranno utilizzati per studiare i processi atomici e molecolari. I risultati sono stati pubblicati su “Nature Photonics”.
Dalla sua invenzione nel 1960, il laser ha rivoluzionato non solo i campi della scienza e della tecnologia, ma anche le nostre vite quotidiane, con applicazioni che vanno dalla medicina alla lavorazione dei materiali, dalle comunicazioni in fibra ottica alla conservazione del nostro patrimonio culturale. Una delle molte proprietà eccezionali del laser è che consente all’utente di generare lampi di luce incredibilmente brevi, fino a una durata di pochi femtosecondi, ovvero alcuni milionesimi di miliardesimo di secondo. Questi impulsi, grazie alla loro durata estremamente breve, ci consentono di studiare fenomeni ultraveloci, come i processi alla base della visione e della fotosintesi, e possono, grazie alla loro intensità estremamente elevata, modificare atomi e molecole al fine di creare nuovi stati della materia . In quanto tale, controllare le proprietà e il profilo temporale di questi impulsi è della massima importanza scientifica e tecnologica, ed è stato oggetto di intenso studio dagli anni 80.
Un team internazionale di scienziati che coinvolge il Politecnico di Milano, l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologia del CNR, il DESY di Amburgo e il Massachusetts Institute of Technology è riuscito a sintetizzare autentiche “forme d’onda ottiche” controllando il campo elettrico della luce con un grado di precisione estremamente elevato, molto meno di un femtosecondo. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista “Nature Photonics”. La sintesi di queste forme d’onda si basa su un innovativo processo ottico lanciato dai ricercatori del CNR e del Politecnico: sintesi coerente, ovvero la sovrapposizione sincronizzata di diversi impulsi luminosi.
“È come dirigere un’orchestra. Ogni impulso è uno strumento musicale, chiamato a produrre il proprio suono; la sintesi coerente è la perfetta esecuzione di un brano musicale. Questa orchestra potrebbe potenzialmente produrre una moltitudine infinita di forme d’onda – cioè melodie. Pertanto, la sintesi coerente ottenuta in questi esperimenti è un approccio molto promettente per la generazione di impulsi di luce laser di qualsiasi forma e durata”, spiega Cristian Manzoni, ricercatore presso il CNR-IFN e il Politecnico.
Molti anni di lavoro sono andati nell’esperimento. “Abbiamo costruito il primo prototipo – che è stato l’inizio di tutto – proprio nei laboratori del Politecnico di Milano”, aggiunge Giulio Cerullo del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano. “Era come un piccolo ensemble, ma da quel primo esperimento, pubblicato nel 2012, è nata l’idea di mettere insieme la grande orchestra che abbiamo ora. L’apparato sperimentale è stato ricostruito ed ampliato nei laboratori di Amburgo”.
Le forme d’onda che ora possono essere sintetizzate aumenteranno le opportunità di controllare il modo in cui la luce interagisce con la materia, specialmente ad alte intensità. In questo caso, il campo elettromagnetico della luce è così forte che può contrastare le forze che legano gli elettroni ai nuclei; la luce può rimuovere temporaneamente gli elettroni dall’atomo e farli orbitare lungo traiettorie nuove di zecca. Ad esempio, è stato dimostrato che quando l’elettrone si muove spinto da forme d’onda così corte e intense, genera impulsi di luce ancora più brevi che durano solo pochi attosecondi, in altre parole miliardesimi di miliardesimo di secondo. Questi sono gli eventi artificiali più brevi che l’uomo sia mai stato in grado di creare. Questa ricerca sta gettando le basi per lo studio di nuovi meccanismi atomici e molecolari, in quanto ci consentirà di esaminare la natura attraverso impulsi di luce che sono “scolpiti” secondo il desiderio dell’utente.