Un gruppo di fisici che lavorava su esperimenti con i laser a raggi X ha scoperto per caso un modo per generare gli impulsi a raggi X più brevi mai osservati finora, con una durata compresa tra 60 e 100 attosecondi. La scoperta è avvenuta in modo del tutto inaspettato, mentre il team stava conducendo ricerche su come diversi elementi chimici interagiscono con i fasci di raggi X ad alta intensità. Questi impulsi brevissimi potrebbero rivoluzionare il modo in cui studiamo i processi più rapidi che avvengono nella materia a livello atomico.
Per capire l'ordine di grandezza di cui stiamo parlando, bisogna immaginare che un attosecondo sta a un secondo come un secondo sta all'intera età dell'universo, circa 14 miliardi di anni. Si tratta di un miliardesimo di miliardesimo di secondo, l'intervallo temporale in cui avvengono i fenomeni più veloci all'interno di atomi e molecole, come il movimento degli elettroni attorno al nucleo.
I laser a elettroni liberi a raggi X sono strumenti imponenti, installati in grandi strutture di ricerca dove gli elettroni vengono accelerati attraverso percorsi lunghi centinaia di metri, talvolta oltre un chilometro e mezzo. Dopo aver attraversato migliaia di magneti disposti in sequenza, questi elettroni generano impulsi di raggi X estremamente brevi e potenti. Questi impulsi funzionano come il flash di una macchina fotografica: sono sufficientemente rapidi da "congelare" il movimento velocissimo di atomi e molecole, permettendo agli scienziati di osservare come cambiano e si muovono all'interno dei materiali o delle cellule.
Durante l'esperimento originale, i ricercatori avevano posizionato campioni di rame e manganese nel percorso di impulsi laser a raggi X altamente focalizzati. L'obiettivo iniziale era studiare come diverse forme chimiche del manganese avrebbero prodotto piccole variazioni nelle lunghezze d'onda dei nuovi impulsi a raggi X generati dall'interazione con il laser. Tuttavia, qualcosa di inaspettato ha iniziato a manifestarsi.
Il primo fenomeno osservato riguardava la direzione degli impulsi generati. Invece di propagarsi nella direzione prevista, i nuovi impulsi a raggi X si disperdevano in modo irregolare, puntando in direzioni leggermente diverse. Questo effetto, noto come filamentazione nei laser ottici, era del tutto inaspettato per i raggi X. Nei laser tradizionali, tale comportamento deriva da cambiamenti nell'indice di rifrazione del materiale, ma i materiali normalmente non riflettono molto i raggi X. Il team ha scoperto che l'altissima intensità degli impulsi laser generava fluttuazioni a livello quantistico nei materiali, causando questi getti irregolari.
Il secondo fenomeno si è rivelato ancora più sorprendente. Gli impulsi a raggi X generati contenevano una varietà di lunghezze d'onda molto più ampia del previsto, e questa distribuzione ricordava un effetto scoperto settant'anni fa dai fisici Stanley Autler e Charles Townes, cinque anni prima ancora che venisse costruito il primo laser ottico. Si tratta del cosiddetto ciclo di Rabi, un fenomeno originariamente osservato nelle microonde.
Quando una luce molto intensa colpisce un atomo, il forte campo elettrico può dividere i livelli energetici degli elettroni in due livelli distinti, chiamati doppietti, con energie leggermente diverse. La separazione tra questi doppietti corrisponde a una frequenza nota come frequenza di Rabi, che dipende dall'intensità della luce: più è intensa, maggiore è la separazione energetica. Nel loro esperimento originale con le microonde, Autler e Townes avevano osservato separazioni energetiche così piccole che le frequenze di Rabi risultavano nella gamma delle onde radio.
Nel caso dell'esperimento con i raggi X, la situazione era radicalmente diversa. I raggi X hanno lunghezze d'onda 100 milioni di volte più corte delle microonde e un'energia 100 milioni di volte maggiore. Di conseguenza, i nuovi impulsi laser a raggi X generati si sono divisi in diverse lunghezze d'onda corrispondenti a frequenze di Rabi nella regione ultravioletta estrema, con frequenze 100 milioni di volte superiori a quelle delle onde radio. Proprio questo effetto di ciclo di Rabi ha permesso ai ricercatori di generare gli impulsi a raggi X ad alta energia più brevi mai registrati.
Le onde elettromagnetiche che attraversano lo spazio sono tutte manifestazioni dello stesso fenomeno fisico, differenziate solo dalla lunghezza d'onda: le onde radio e le microonde hanno lunghezze d'onda molto lunghe, mentre i raggi X le hanno cortissime. I laser ottici tradizionali emettono fasci di luce collimati in cui tutte le onde hanno la stessa lunghezza d'onda e oscillano in sincronia, come la luce rossa di un puntatore laser. Negli ultimi quindici anni, gli scienziati hanno sviluppato laser a elettroni liberi che invece di emettere luce visibile producono raggi X.
Le applicazioni future di questa scoperta sono promettenti. Mentre gli impulsi attualmente generati dai laser a elettroni liberi a raggi X permettono di osservare i legami atomici che si formano, si riarrangiano e si spezzano, non sono abbastanza veloci per esaminare la nube elettronica che genera tali legami. Gli impulsi di 60-100 attosecondi appena scoperti potrebbero consentire agli scienziati di studiare i processi più rapidi nei materiali alla scala atomica e di distinguere diversi elementi chimici con precisione senza precedenti.
I fisici sperano inoltre di riuscire a generare impulsi ancora più brevi in futuro, scendendo sotto i 60 attosecondi utilizzando materiali più pesanti con tempi di vita più brevi, come tungsteno o afnio. Impulsi così veloci potrebbero finalmente permettere di rispondere a domande fondamentali della chimica e della fisica: come si muove esattamente la nube elettronica attorno a un nucleo e cosa sia realmente, a livello profondo, un legame chimico tra atomi. La scoperta casuale potrebbe quindi aprire una nuova finestra sulla comprensione della materia ai suoi livelli più fondamentali.
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