La capacità di osservare il movimento degli elettroni all'interno di atomi, molecole e materiali solidi rappresenta una delle frontiere più affascinanti della fisica contemporanea. Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati utilizzano impulsi di luce della durata di attosecondi, ovvero miliardesimi di miliardesimo di secondo. Tuttavia, un ostacolo tecnico fondamentale ha finora limitato le potenzialità di questi strumenti: la difficoltà di focalizzare efficacemente questi impulsi ultra-brevi, che si collocano nella regione dell'ultravioletto estremo e dei raggi X dello spettro elettromagnetico. Una ricerca condotta dal Max Born Institute di Berlino e dal centro DESY di Amburgo ha ora presentato una soluzione innovativa basata su una lente al plasma, aprendo prospettive inedite per lo studio della dinamica elettronica ultraveloce.
Il problema della focalizzazione degli impulsi ad attosecondi deriva dalla natura stessa della radiazione elettromagnetica coinvolta. Gli specchi convenzionali, comunemente utilizzati per questo scopo, offrono una riflettività molto bassa e si degradano rapidamente quando esposti a radiazioni così energetiche. Le lenti tradizionali, strumento d'elezione per la luce visibile, risultano inadatte perché assorbono la luce ultravioletta estrema e, aspetto ancora più critico, allungano temporalmente gli impulsi, vanificando la loro caratteristica fondamentale: l'estrema brevità.
La soluzione proposta dal team di ricerca, pubblicata sulla rivista Nature Photonics, sfrutta le proprietà ottiche uniche del plasma. Per generare la lente, i ricercatori inviano intensi impulsi elettrici attraverso gas idrogeno contenuto in un capillare microscopico. Questo processo strappa gli elettroni dagli atomi di idrogeno, creando uno stato di plasma. Gli elettroni si spostano naturalmente verso le pareti del tubo, conferendo al plasma una geometria analoga a quella di una lente concava.
In condizioni ordinarie, una lente concava non focalizza la luce ma la disperde. Il plasma, tuttavia, interagisce con la radiazione in modo radicalmente diverso rispetto ai materiali convenzionali, riuscendo paradossalmente a concentrare gli impulsi ad attosecondi anziché allargarli. Questa proprietà controintuitiva deriva dall'indice di rifrazione negativo che il plasma esibisce per determinate frequenze della radiazione elettromagnetica.
Un vantaggio cruciale emerso dallo studio riguarda l'eliminazione dei filtri metallici sottili normalmente necessari per separare gli impulsi ad attosecondi dalla radiazione infrarossa che li genera. La lente al plasma agisce infatti come un efficace filtro naturale per gli impulsi infrarossi di pilotaggio, permettendo a una quantità maggiore di potenza ad attosecondi di attraversare il sistema ottico. Questo incremento di potenza disponibile rimuove uno dei principali colli di bottiglia che limitano attualmente le capacità sperimentali nel campo dell'attofisica.
Per comprendere più a fondo il comportamento temporale degli impulsi focalizzati, il gruppo di ricerca ha condotto simulazioni computazionali avanzate. I risultati hanno rivelato che gli impulsi subiscono un allungamento temporale minimo, passando da 90 a 96 attosecondi. In condizioni più realistiche, dove i diversi componenti cromatici dell'impulso arrivano con leggeri sfasamenti temporali—un fenomeno tecnico noto come chirp - la lente al plasma ha sorprendentemente accorciato la durata degli impulsi, riducendola da 189 a 165 attosecondi.
La dimostrazione sperimentale di questa tecnologia rappresenta un avanzamento significativo nelle metodologie dell'attoscienza. La tecnica offre vantaggi concreti: semplicità di allineamento ottico, elevata trasmissione e capacità di focalizzare radiazione attraverso diverse lunghezze d'onda. Queste caratteristiche aprono possibilità applicative che spaziano dalla mappatura della dinamica elettronica in materiali complessi allo sviluppo di tecnologie quantistiche di nuova generazione.
Le prospettive future della ricerca includono l'applicazione di queste lenti al plasma nella microscopia ultraveloce di prossima generazione, dove la combinazione di risoluzione temporale ad attosecondi e focalizzazione spaziale efficiente potrebbe consentire l'osservazione diretta di processi elettronici fondamentali in tempo reale. Rimangono tuttavia questioni aperte riguardo all'ottimizzazione della stabilità del plasma e all'estensione della tecnica a gamme energetiche ancora più elevate dello spettro elettromagnetico, sfide che definiranno i prossimi sviluppi in questo campo di ricerca all'avanguardia della fisica.
