A Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L'Huillier il Nobel per la Fisica 2023

Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L'Huillier hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica 2023 "per i metodi sperimentali che generano impulsi ad attosecondi di luce per lo studio delle dinamiche degli elettroni nella materia".

Gli esperimenti di questi tre scienziati hanno fornito all'umanità nuovi strumenti per esplorare il mondo degli elettroni all'interno di atomi e molecole. Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L'Huillier hanno dimostrato un modo per creare impulsi di luce estremamente brevi che possono essere usati per misurare i rapidi processi attraverso i quali gli elettroni si muovono o scambiano energia. Dinamiche talmente rapide che un tempo erano impossibili da studiare.

Anne L'Huillier, nata a Parigi nel 1958, insegna all'Università di Lund, in Svezia. 

Pierre Agostini, francese, è Professore alla Ohio State University, USA.

Ferenc Krausz, nato nel 1962 a Mór, Ungheria, dirige il Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching ed è professore alla Ludwig-Maximilians-Universität di Monaco in Germania.

Velocità impossibili. Nel mondo degli elettroni, i cambiamenti avvengono in poche decine di attosecondo, un milionesimo di milionesimo di milionesimo di secondo - un'unità di tempo talmente breve che il numero di attosecondi in un secondo è paragonabile al numero di secondi trascorsi dall'inizio dell'Universo, 13,8 miliardi di anni fa. Per fare un esempio con qualcosa di più vicino a noi, immaginate che un impulso di luce impiega, per percorrere una stanza viaggiando tra due pareti opposte, circa dieci miliardi di attosecondi. A lungo si è ritenuto che il femtosecondo, il milionesimo di miliardesimo di secondo, l'unità di misura del tempo usata per studiare i movimenti degli atomi nelle molecole, fosse un limite invalicabile: flash di luce più brevi di così erano impossibili da produrre.

I tre scienziati premiati hanno infranto questo limite. Sono riusciti a riprodurre, nei loro esperimenti, impulsi di luce talmente brevi da essere misurabili in attosecondi, e a dimostrare che questi impulsi possono essere usati per fornire immagini dei processi che avvengono all'interno di atomi e molecole. Questi impulsi sono stati usati per esplorare nel dettaglio la fisica di atomi e molecoli, e possono essere sfruttati per identificare le diverse molecole (per esempio nella medicina diagnostica). Le loro potenziali applicazioni si estendono in molti settori, dall'elettronica alla medicina.

Elettroni in fuga. L'Huillier è stata premiata per aver scoperto un nuovo effetto dato dall'interazione tra la luce laser e gli atomi di un gas.

Agostini e Krausz per aver dimostrato che questo effetto può essere usato per creare impulsi di luce più brevi di quelli che era possibile ottenere in precedenza.

Nel 1987, Anne L'Huillier scoprì che quando trasmetteva un laser di luce infrarossa attraverso un gas nobile, l'interazione della luce laser con gli atomi del gas dava origine a molte e diverse armoniche di luce. Ogni armonica è un'onda luminosa con un certo numero di cicli per ogni ciclo di luce laser. L'Huiller ha continuato a esplorare questo fenomeno e ad approfondirne le basi teoriche, ponendo le fondamenta per le scoperte successive.

Quando la luce laser entra nel gas, provoca vibrazioni elettromagnetiche che distorcono il campo elettrico che mantiene gli elettroni attorno al nucleo atomico. Gli elettroni possono scappare dai loro atomi, ma poiché il campo elettrico della luce vibra continuamente, quando questo cambia direzione, un elettrone libero può ritornare al suo nucleo atomico. Durante questa uscita temporanea l'elettrone accumula un eccesso di energia che rilascia sotto forma di luce. Questi impulsi luminosi sono quelli che creano le armoniche di luce visibili negli esperimenti.

I più brevi impulsi di luce. L'energia delle armoniche emesse è equivalente a luce ultravioletta, che ha lunghezze d'onda più corte rispetto alla luce visibile. In determinate circostanze, le armoniche coincidono in modo che si creino una serie di impulsi di luce ultravioletta, ciascuno dei quali lungo poche centinaia di attosecondi. Nel 2001, Pierre Agostini e il suo gruppo di ricerca in Francia riuscirono a produrre e studiare una serie di impulsi luminosi consecutivi, come le carrozze di un treno, ciascuno della durata di appena 250 attosecondi. Nello stesso periodo, Ferenc Krausz stava lavorando a un altro tipo di esperimento, che rese possibile isolare un singolo impulso di luce della durata di 650 attosecondi.

A cosa serve tutto questo? Impulsi luminosi della durata di attosecondi permettono di misurare quanto tempo serve agli elettroni per essere strappati via dal loro atomo: dipende da quanto strettamente l'elettrone è legato al nucleo atomico. Consentono di ricostruire in che modo la distribuzione degli elettroni cambia da una parte all'altra delle molecole e dei materiali (prima d'ora la posizione degli elettroni poteva essere soltanto misurata in media). Impulsi lunghi attosecondi possono essere usati per studiare i processi interni alla materia, per spostare le molecole e misurare il segnale che restituiscono, determinando così che tipo di molecole si stanno esaminando.

altri Nobel per la Fisica. Il Premio Nobel per la Fisica, istituito dal testamento di Alfred Nobel nel 1895, viene assegnato come quello per la Chimica dall'Accademia Reale Svedese delle scienze.

Dal 1901 ad oggi ne sono stati conferiti 116, solo 4 dei quali a scienziate donne: Marie Curie (1903, per gli studi sulle radiazioni), Maria Goeppert-Mayer (1963, per il modello a guscio del nucleo atomico), Donna Strickland (2018, per le invenzioni rivoluzionarie nel campo della fisica dei laser) e Andrea Ghez (2020, per gli studi sui buchi neri).

In 47 occasioni il Nobel per la Fisica è stato assegnato a uno scienziato soltanto; negli altri, è stato spartito tra più scienziati. Il fisico statunitense John Bardeen è stato l'unica persona al mondo finora ad averlo vinto due volte, nel 1956 per l'invenzione del transistor, insieme a William Bradford Shockley e Walter Brattain, e nel 1972 per la teoria fondamentale della superconduttività ordinaria assieme a Leon Neil Cooper e John Robert Schrieffer.

Il più giovane destinatario del Premio Nobel per la Fisica è stato il fisico e cristallografo britannico Lawrence Bragg, che aveva 25 anni quando fu premiato, nel 1915, per gli studi condotti sull'analisi della struttura cristallina per mezzo dei raggi X insieme al padre. ll più anziano è stato il fisico statunitense Arthur Ashkin, arrivato al Nobel nel 2018 all'età di 96 anni grazie alle invenzioni rivoluzionarie nel campo della fisica dei laser, insieme a Donna Strickland e Gérard Mourou.