20 attosecondi: il tempo più breve mai misurato
Oltre un secolo fa Albert Einstein risolse un apparente paradosso nella teoria della fotoemissione, descrivendo la luce in quanto composta da particelle, chiamate fotoni, piuttosto che onde. Da allora, la fotoemissione è stata spiegata come un processo nel quale un elettrone è emesso istantaneamente da un atomo dopo che l'atomo assorbe energia da un fotone. Adesso, alcuni fisici finanziati dall'UE hanno mostrato che questo non succede immediatamente. Mentre dimostrava la presenza di un ritardo dopo che il fotone colpisce l'elettrone, il team è riuscito a misurare il tempo più breve mai registrato in natura. Capire meglio queste minuscole interazioni fornisce preziose informazioni su tutti i processi biologici e chimici. I risultati sono stati pubblicati su Science. La ricerca è stata condotta da fisici dell'Istituto Max Planck di ottica quantistica, la Technische Universität München e la Ludwig-Maximilians-Universität München in Germania, che hanno collaborato con fisici provenienti da Austria, Grecia e Arabia Saudita. Il loro lavoro è stato sostenuto dall'UE attraverso una borsa di reintegrazione Marie Curie e una Starting Grant del Consiglio europeo della ricerca (CER). Per rilasciare elettroni dal loro orbitale atomico, sono stati sparati veloci impulsi di luce laser verso atomi neon per meno di quattro femtosecondi (un femtosecondo e un quadrilionesimo di secondo). Gli atomi sono stati colpiti simultaneamente da impulsi ultravioletti estremi, della durata di altri 180 attosecondi (un attosecondo è un quintilione di secondo). I fisici hanno quindi registrato il momento in cui gli elettroni venivano espulsi dall'atomo usando il campo controllato dell'impulso laser sincronizzato come una sorta di "cronografo per attosecondi". Il risultato è stato un ritardo misurabile di circa 20 attosecondi tra il rilascio di un elettrone che occupa l'orbitale 2p e quello dell'elettrone che occupa l'orbitale 2s. La tecnica di misurazione usata dai fisici è la più veloce al mondo. Inoltre, il tempo di 20 attosecondi registrato rappresenta l'intervallo di tempo più breve mai direttamente misurato ad oggi. "Un attosecondo è un miliardesimo di un miliardesimo di secondo, un intervallo di tempo incredibilmente breve," ha spiegato il dott. Reinhard Kienberger dell'Istituto Max Plank di ottica quantistica. "Ma dopo l'eccitazione con la luce, uno degli elettroni lascia l'atomo prima dell'altro. Siamo quindi stati in grado di mostrare che gli elettroni "esitano" brevemente prima di lasciare l'atomo." I membri del team provenienti da Germania, Grecia e Austria hanno determinato che l'esitazione misurava cinque attosecondi. Il motivo per il quale gli elettroni esitano in questa maniera prima di essere emessi è da interpretare. Il dott. Vladislav Yakovlev, anch'egli dell'Istituto Max Planck di ottica quantistica, ha spiegato: "Lo sforzo computativo necessario per creare un modello di un sistema con così tanti elettroni è superiore alla capacità computativa dei supercomputer odierni." Ciononostante i fisici suggeriscono che una causa potrebbe essere l'insieme di interazioni tra elettroni e tra elettroni e il loro nucleo atomico. "Tale interazione elettrone-elettrone potrebbe significare che passa un breve lasso di tempo prima che un elettrone agitato dall'onda di luce incidente venga rilasciato dai suoi compagni elettroni e possa così lasciare l'atomo," ha detto il dott. Martin Schulze dell'Istituto Max Plank di ottica quantistica. Il dott. Ferenc Krausz della Ludwig-Maximilians-Universität München ha evidenziato le implicazioni di ampia portata dei risultati ottenuti dal team: "Queste interazioni che oggi non comprendiamo appieno esercitano un'influenza fondamentale sui movimenti dell'elettrone nelle dimensioni più piccole, che determinano il corso di tutti i processi biologici e chimici, per non parlare della velocità dei microprocessori, che stanno nel cuore dei computer."
Paesi
Austria, Germania, Grecia, Arabia Saudita