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Un gruppo di tre ricercatori ha vinto il Premio Nobel per la fisica 2023 per il lavoro che ha rivoluzionato il modo in cui gli scienziati studiano l’elettrone, illuminando le molecole con lampi di luce della durata di attosecondi. Ma quanto dura un attosecondo e cosa possono dire questi impulsi infinitesimi ai ricercatori sulla natura della materia?
Ho appreso per la prima volta di quest’area di ricerca quando ero uno studente laureato in chimica fisica. Il gruppo del mio consulente di dottorato aveva un progetto dedicato allo studio delle reazioni chimiche con impulsi ad attosecondi. Prima di capire perché la ricerca sugli attosecondi ha ottenuto il premio più prestigioso nel campo della scienza, è utile capire cos’è un impulso di luce ad attosecondi.
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Quanto dura un attosecondo?
“Atto” è il prefisso della notazione scientifica che rappresenta 10^-18, che è un punto decimale seguito da 17 zeri e un 1. Quindi un lampo di luce che dura un attosecondo, o 0,0000000000000000001 di secondo, è un impulso di luce estremamente breve .
In effetti, in un secondo ci sono approssimativamente tanti attosecondi quanti sono i secondi nell’età dell’universo.
In precedenza, gli scienziati potevano studiare il movimento dei nuclei atomici più pesanti e che si muovono più lentamente con impulsi luminosi al femtosecondo (10-15). Mille attosecondi sono in 1 femtosecondo. Ma i ricercatori non sono riusciti a vedere il movimento su scala elettronica finché non sono riusciti a generare impulsi luminosi ad attosecondi: gli elettroni si muovono troppo velocemente perché gli scienziati possano analizzare esattamente cosa stanno facendo a livello di femtosecondi.
Impulsi di attosecondi
La riorganizzazione degli elettroni negli atomi e nelle molecole guida molti processi in fisica ed è alla base praticamente di ogni parte della chimica. Pertanto, i ricercatori hanno compiuto molti sforzi per capire come gli elettroni si muovono e si riorganizzano.
Tuttavia, gli elettroni si muovono molto rapidamente nei processi fisici e chimici, rendendoli difficili da studiare. Per studiare questi processi, gli scienziati utilizzano la spettroscopia, un metodo per esaminare come la materia assorbe o emette luce. Per seguire gli elettroni in tempo reale, i ricercatori hanno bisogno di un impulso di luce più breve del tempo impiegato dagli elettroni per riorganizzarsi.
Per analogia, immagina una fotocamera che possa richiedere solo esposizioni più lunghe, circa 1 secondo. Le cose in movimento, come una persona che corre verso la fotocamera o un uccello che vola nel cielo, apparirebbero sfocate nelle foto scattate e sarebbe difficile vedere esattamente cosa sta succedendo.
Quindi, immagina di utilizzare una fotocamera con un’esposizione di 1 millisecondo. Ora, i movimenti che prima venivano cancellati sarebbero stati ben risolti in istantanee chiare e precise. Ecco come l’utilizzo della scala degli attosecondi, anziché quella dei femtosecondi, può illuminare il comportamento degli elettroni.
Ricerca sugli attosecondi
Quindi, a che tipo di domande di ricerca possono aiutare a rispondere gli impulsi ad attosecondi?
Innanzitutto, la rottura di un legame chimico è un processo fondamentale in natura in cui gli elettroni condivisi tra due atomi si separano in atomi non legati. Gli elettroni precedentemente condivisi subiscono cambiamenti ultraveloci durante questo processo e gli impulsi ad attosecondi hanno permesso ai ricercatori di seguire la rottura in tempo reale di un legame chimico.
La capacità di generare impulsi ad attosecondi – la ricerca per la quale tre ricercatori hanno vinto il Premio Nobel per la fisica nel 2023 – è diventata possibile per la prima volta all’inizio degli anni 2000, e da allora il campo ha continuato a crescere rapidamente. Fornendo istantanee più brevi di atomi e molecole, la spettroscopia ad attosecondi ha aiutato i ricercatori a comprendere il comportamento degli elettroni nelle singole molecole, ad esempio come migra la carica elettronica e come si rompono i legami chimici tra gli atomi.
Su scala più ampia, la tecnologia degli attosecondi è stata applicata anche allo studio del comportamento degli elettroni nell’acqua liquida e al trasferimento di elettroni nei semiconduttori allo stato solido. Man mano che i ricercatori continuano a migliorare la loro capacità di produrre impulsi luminosi ad attosecondi, acquisiranno una comprensione più profonda delle particelle fondamentali che compongono la materia.
Questo articolo modificato è ripubblicato da La conversazione sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.
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