Le più recondite proprietà della materia si studiano oggi con la spettroscopia ottica basata su impulsi laser ultrabrevi, prossimi all’attosecondo, ossia 10-18 secondi (un attosecondo sta al secondo come questo sta a 31,5 miliardi di anni, oltre il doppio dell’età dell’Universo). Ciò consente di fare un’analisi temporale di eventi che si svolgono all’interno degli atomi, ad esempio mutamenti nella carica elettronica in orbita attorno ai nuclei.
La luce per studiare le proprietà della materia
La luce è la sonda più precisa a disposizione dei fisici e dei chimici per studiare le proprietà intime della materia, sia terrestre, sia siderea ed extragalattica. Le nuove tecniche spettroscopiche permettono anche di filmare i processi, malgrado abbiano durate ultracorte.
Per filmare il moto di un corpo è necessario disporre di un’adeguata risoluzione temporale, ossia eseguire una sequenza di fotogrammi abbastanza brevi da poter “fermare” il movimento.
Per semplificare il discorso, pensiamo all’atomo come a un sistema di elettroni rotanti attorno al nucleo su precise orbite, secondo il modello semiclassico di Bohr. Se si vuole studiare il moto di tali elettroni occorre lavorare su una scala dei tempi adeguata al loro periodo di rotazione attorno al nucleo.
Per l’elettrone sull’orbita di raggio più piccolo, tale periodo corrisponde a circa un decimo di femtosecondo (un femtosecondo è pari a 10-15 s). E non molto maggiore è il tempo che un elettrone impiega a ricadere nella sua orbita di equilibrio una volta che, per effetto di una perturbazione quale la luce, viene spinto su un’orbita più esterna. È possibile studiare dettagliatamente il corso di questi processi prendendo successive istantanee delle particelle?
I laser e la spettroscopia moderna
Un tempo la spettroscopia ottica era basata esclusivamente sull’impiego di luce resa intermittente da un otturatore meccanico, o al più di flash fino al microsecondo (10-6 s). Grazie all’avvento dei laser, sono sorte nuove tecniche assai più veloci.
Quella nota come Q-switching – si tratta di un controllo sul mezzo laser che ne permette l’innesco soltanto dopo intervalli di attesa durante i quali l’energia si accumula per essere emessa sotto forma di intensi impulsi separati – ha permesso di generare impulsi mille volte più brevi, pari al nanosecondo (10-9 s). Ha consentito così di studiare il ritorno spontaneo verso l’equilibrio di elettroni eccitati dalla luce solare, ad esempio in una cella fotovoltaica.
Intorno agli anni ’70 comparve il picosecondo, mille volte più breve, superato poi dal femtosecondo, che venti anni fa fruttò il premio Nobel per la Chimica a Ahmed Zewail, pioniere della cosiddetta femtochimica. Un gruppo di ricercatori austriaci e tedeschi ha potuto studiare i movimenti degli elettroni all’interno di un atomo utilizzando impulsi di qualche decina di attosecondi.
Per arrivare a flash di radiazione così brevi è stato necessario affrontare una serie di poderosi problemi tecnologici, a cominciare dallo sviluppo di sistemi di rivelazione capaci di misurare segnali così fugaci. Ma grazie a tali impulsi in futuro si potrà forse, più che seguire i processi all’interno degli atomi, addirittura influire sul loro svolgimento.
Si può parlare di una nuova disciplina, l’attofisica, una branca della fisica atomica dove nella pratica osservativa fa il suo ingresso una nuova dimensione, quella del tempo. Non meno interessanti potrebbero essere le prospettive nell’innovazione tecnologica, soprattutto nel settore dell’informatica e delle telecomunicazioni.
