SCOPERTE/ Una nuova sorgente X rivela “la musica” dei processi microscopici

Buona parte degli esperimenti per lo studio dei materiali e delle molecole, al giorno d’oggi, utilizzano come sonde fasci di onde elettromagnetiche, principalmente in uno spettro di frequenze che varia dalla luce infrarossa (lunghezze d’onda dell’ordine dei micron) ai raggi X (lunghezze d’onda di pochi nanometri). In questi esperimenti i fasci di fotoni vengono fatti incidere sul campione e, a seconda di come il fascio interagisce con esso, i fisici riescono a risalire alle proprietà strutturali, ottiche ed elettroniche del materiale studiato.

Con l’avanzare della raffinatezza degli esperimenti è in continuo aumento anche la richiesta di sorgenti di “luce” dalle performance sempre migliori: sono richieste sorgenti molto intense, monocromatiche, delle quali sia possibile scegliere la lunghezza d’onda su uno spettro ampio. In molti esperimenti è richiesto anche che il fascio luminoso sia “coerente”, cioè che i fotoni siano in fase tra loro, e polarizzato. Inoltre, la possibilità di avere sorgenti impulsate, cioè che emettono impulsi di luce molto brevi (anche pochi femtosecondi, cioè milionesimi di miliardesimo di secondo) ha aperto la strada a esperimenti volti a studiare la dinamica dei sistemi con incredibile risoluzione temporale, cioè permettendo di “fotografare” il sistema a intervalli di tempo così brevi e precisi che è possibile seguire l’evoluzione di processi ultra-veloci come singole reazioni chimiche o stati di non-equilibrio.

Mentre per la regione infrarosso-visibile-UV i laser sono in grado di soddisfare l’esigenza di sorgenti monocromatiche, coerenti e impulsate, nella regione dei raggi X sono disponibili sorgenti da laboratorio che sfruttano l’emissione di certi materiali a frequenze ben precise, e quindi non regolabili in lunghezza d’onda, non coerenti e non impulsate. Per avere le caratteristiche desiderate i fisici devono quindi ricorrere all’uso dei sincrotroni, macchine di grandi dimensioni che sfruttano il moto degli elettroni per generare fasci di luce coerente della lunghezza d’onda desiderata, e, negli ultimi anni, dei laser a elettroni liberi, capolavori d’ingegneria che permettono di generare brillantissimi impulsi luminosi monocromatici (uno di questi, FERMI, è entrato in funzione da pochi mesi in Italia, presso il laboratorio ELETTRA a  Trieste). Tuttavia, il sogno di una sorgente da laboratorio (cioè di piccole dimensioni) di raggi X impulsati e di largo spettro rimane fino ad oggi irrealizzato.