FERMI apre nuove strade al controllo quantistico: nuovi orizzonti per la scienza atomica e molecolare

Un esperimento pionieristico condotto presso FERMI, il laser a elettroni liberi (Free Electron Laser, FEL) di Elettra Sincrotrone Trieste, attivo in Area Science Park, ha permesso per la prima volta di controllare direttamente gli stati quantistici ibridi elettrone-fotone negli atomi di elio, dimostrando il controllo quantistico delle dinamiche elettroniche non lineari. Questo importante risultato, frutto della collaborazione internazionale tra gruppi teorici e sperimentali guidati dal dott. Lukas Bruder dell’Università di Friburgo – che in Italia ha coinvolto: il Politecnico di Milano, l’Istituto di fotonica e nanotecnologie del Consiglio nazionale delle ricerche di Milano (Cnr-Ifn), l’Istituto Officina dei Materiali del Consiglio nazionale delle ricerche di Trieste (Cnr-Iom), Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati (Roma) ed Elettra Sincrotrone di Trieste – stabilisce un importante traguardo nella fisica quantistica e apre nuove prospettive per lo studio e il controllo di reazioni chimiche su scala atomica, grazie anche alle straordinarie capacità tecnologiche di FERMI.

La ricerca, pubblicata sulla rivista Nature, dimostra come una manipolazione precisa degli impulsi luminosi generati dal FEL FERMI consenta di favorire processi quantistici specifici, sfruttando un approccio noto come “controllo coerente”. Questo metodo, già consolidato per la luce visibile e in regime di bassa intensità, è stato ora applicato con successo alle lunghezze d’onda ultraviolette estreme, aprendo un nuovo campo di ricerca per l’analisi di fenomeni atomici e molecolari che avvengono su scale temporali dell’ordine degli attosecondi (un miliardesimo di miliardesimo di secondo).

Il laser FERMI si distingue nel panorama internazionale per essere l’unica sorgente di questo tipo in grado di garantire un controllo così preciso della generazione di radiazione ultravioletta e di raggi X, grazie all’uso di un “seme esterno”. Questo innovativo approccio consente di imprimere ulteriore coerenza alla luce durante il processo di amplificazione, rendendo finalmente realizzabili esperimenti di controllo coerente. In assenza di questo processo infatti la radiazione amplificata risulterebbe caotica e incoerente, con una sequenza casuale di impulsi molto ravvicinati tra loro.

Questo esperimento ha sfruttato impulsi di radiazione ultravioletta con intensità dell’ordine di 10-100 trilioni di watt per centimetro quadrato, generando stati quantistici definiti “dressed states”, in cui gli elettroni interagiscono fortemente con il campo luminoso modificando i loro livelli di energia. Grazie a questa manipolazione precisa della fase e dell’ampiezza degli impulsi luminosi i ricercatori hanno ottenuto un controllo senza precedenti di queste dinamiche.

I risultati ottenuti dimostrano anzitutto l’efficienza e la maturità tecnica raggiunte da FERMI, giacché la capacità di riprodurre nei raggi x effetti ben noti alle frequenze ottiche era e rimane un traguardo ambito ma per nulla scontato.

Nell’immediato disponiamo ora di nuove metodologie per indagare sistemi quantistici fondamentali. Lunghezze d’onda molto corte e durate degli impulsi corrispondentemente più brevi consentono in generale di gestire gli elettroni alle loro scale naturali di lunghezza e tempo, vale a dire quelle atomiche; ciò apre inoltre nuove prospettive nello sviluppo di tecniche per il controllo delle proprietà dei materiali, e delle reazioni chimiche, con potenziali ricadute in settori come il fotovoltaico, la catalisi, e la scienza dei materiali in genere. Scendendo nei dettagli infinitesimi diventa progressivamente sempre più difficile cogliere e comprendere gli eventi sotto osservazione, e questi impulsi così precisi ci permettono di isolare con altrettanta precisione dettagli minuscoli in tempi brevissimi (come con una fotocamera ad altissima risoluzione). Grazie a queste tecnologie, non solo è possibile esplorare passivamente tutti questi fenomeni, ma anche guidarli e manipolarli verso nuove scoperte e ancora nuove ipotesi.

Gli enti coinvolti:

• Institute of Physics, University of Freiburg, Friburgo, Germania
• Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme, Dresda, Germania
• Elettra-Sincrotrone Trieste S.C.p.A., Trieste, Italia
• Institute of Physics, University of Oldenburg, Oldenburg, Germania
• Dipartimento di Fisica, IFN-CNR, Milano, Italia
• Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik, Universität Innsbruck, Innsbruck, Austria
• Department of Physics, University of Gothenburg, Gothenburg, Svezia
• Istituto Officina dei Materiali, CNR (CNR-IOM), Trieste, Italia
• Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italia
• Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Amburgo, Germania
• The Hamburg Centre for Ultrafast Imaging CUI, Amburgo, Germania
• IFN-CNR, Milano, Italia
• Department of Physics and Astronomy, Aarhus University, Aarhus, Danimarca
• Institute for Experimental Physics, University of Hamburg, Amburgo, Germania