FISICA/ Due laser per “interrogare” un atomo di Kripton

- Sergio Musazzi

Un esperimento condotto da un team internazionale di ricercatori è riuscito per la prima volta ad osservare in tempo reale i cambiamenti nella distribuzione di cariche all’interno di un atomo

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Con una massa circa 1800 volte più piccola di quella dei protoni e dei neutroni e in perenne frenetico movimento attorno al nucleo, gli elettroni rappresentano sicuramente i componenti atomici più difficili da indagare. Se poi si considera il fatto che, a causa del principio di indeterminazione di Heisenberg, posizione e velocità delle particelle elementari non possono essere determinate contemporaneamente in maniera precisa, sembra quasi impossibile riuscire a caratterizzare il comportamento di queste microscopiche particelle all’interno degli orbitali atomici. 

È invece di questi giorni la notizia che un team internazionale di ricercatori dell’Università della California (Usa), del Max Planck Institut di Ottica Quantistica (Germania) e del Lawrence Berkeley  National Laboratory (Usa), utilizzando un laser in grado di generare impulsi brevissimi della durata di un centinaio di attosecondi (un attosecondo è un miliardesimo di miliardesimo di secondo) è riuscito ad osservare in diretta gli effetti provocati dall’espulsione di un elettrone in un atomo di Kripton.

Nel loro esperimento i fisici hanno eccitato gli atomi di Kripton inviando, in una cella riempita di questo gas, gli impulsi di un laser con emissione nell’infrarosso. Questi impulsi, della durata di circa quattro femtosecondi (un femtosecondo è anch’esso un intervallo di tempo molto breve pari a un milionesimo di miliardesimo di secondo) provocano l’espulsione di un elettrone residente negli strati più esterni degli atomi di Kripton (la cosiddetta banda di valenza), rendendo in questo modo gli atomi carichi positivamente (ioni).

Quello che accade in un atomo, in seguito alla perdita di un elettrone, è la formazione di una “lacuna” carica positivamente nel posto precedentemente occupato dall’elettrone e la conseguente nascita di moti oscillatori di questa lacuna all’interno della banda di valenza. Per riuscire a osservare e virtualmente fotografare queste oscillazioni di carica, i fisici impegnati nella ricerca hanno sfruttato la luce emessa da un secondo laser in grado di generare impulsi estremamente brevi nella regione dell’estremo ultravioletto (di circa 150 attosecondi di durata).

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Inviando questi impulsi attraverso il gas di Kripton lungo lo stesso percorso ottico del fascio di eccitazione e sfruttando il fatto che la durata di questi impulsi è confrontabile con la scala temporale su cui avvengono i movimenti degli elettroni all’interno dell’atomo, si riesce così a “interrogare” gli atomi precedentemente ionizzati.

L’assorbimento di questo secondo impulso da parte degli atomi ionizzati provoca infatti l’eccitazione di un secondo elettrone (appartenente ad un orbitale più interno) che acquista sufficiente energia per saltare nella banda di valenza e occupare il posto lasciato libero dall’elettrone precedentemente espulso. Dall’analisi del fascio di sonda all’uscita dalla cella di misura (attraverso un processo denominato spettroscopia di assorbimento all’attosecondo) diventa possibile caratterizzare con estrema precisione il comportamento dinamico degli atomi eccitati.

Variando con continuità il ritardo fra gli impulsi di eccitazione e quelli (più brevi) di sonda i ricercatori hanno scoperto che la posizione delle lacune, vale a dire delle regioni cariche positivamente all’interno dello ione, oscilla periodicamente fra due configurazioni estreme: una decisamente allungata in una direzione ed una molto compatta. «Con questo esperimento, ha commentato il dottor Goulielmakis – responsabile del gruppo di ricerca del Max Planck Institut – siamo riusciti per la prima volta ad osservare direttamente in tempo reale i cambiamenti che avvengono nella distribuzione di cariche all’interno di un atomo».

Vale la pena ricordare che in sistemi atomici più complessi, come ad esempio le molecole, la dinamica dei processi di modificazione della distribuzione di cariche negli orbitali molecolari è la principale responsabile della sequenza di processi biologici e chimici in cui le molecole sono coinvolte. Una migliore comprensione di queste dinamiche potrebbe, in un futuro non lontano, portare ad una migliore comprensione delle origini microscopiche di alcune malattie attualmente incurabili o a un graduale aumento della velocità nell’elaborazione elettronica dei dati nei vari dispositivi elettronici.

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