Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier rivoluzionano lo studio della dinamica degli elettroni: una ricerca che vale il Premio Nobel per la Fisica 2023

In principio era la materia, sconosciuta e misteriosa. Le prime riflessioni su “cosa” la componesse risalgono agli anni tra il V e il I secolo a.C. e appartengono ai cosiddetti filosofi dell’“atomismo”, dell’atomo, dal greco ἄτομος “átomos”, “indivisibile”, una certa evoluzione del pensiero di chi invece cercava l’archè, in greco ἀρχή, il “principio”, l’“origine”.
Il più famoso tra loro è Democrito (discepolo di Leucippo), ritenuto non per nulla “padre della fisica”. L’atomismo democriteo, infatti, rappresenta la base per ogni studio di scienza naturale – che nel XVII secolo con la Rivoluzione scientifica diventa fisica propriamente detta – almeno fino al XIX secolo quando lo scienziato inglese John Dalton rielabora la teoria di Democrito nella teoria atomica moderna e definisce l’atomo “la più piccola parte di un elemento”, indivisibile e indistruttibile.
Neanche un secolo dopo, tuttavia, accade qualcosa. Alla fine dell’Ottocento, infatti, una serie di scienziati oggi celebri (Wilhelm Conrad Röntgen, Antoine Henri Becquerel, Marie e Pierre Curie, tutti tra i primi nella storia a vincere il Premio Nobel per la Fisica) scoprono e studiano la radioattività, o il decadimento radioattivo. 

Non perdiamoci tentando di spiegare in cosa consista questo insieme di processi, quello che a noi interessa è altro: se l’atomo decade non è indivisibile ma, al contrario, è formato da parti ancora più piccole. Il primo a scoprire una particella subatomica è il britannico Sir Joseph John Thomson che nel 1897 individua l’elettrone, particella con carica elettrica negativa. Sulla base della sua scoperta, prima che vengano scoperti protoni e neutroni (che ad oggi sappiamo essere i componenti del nucleo atomico, quindi detti nucleoni), nel 1902 Thomson elabora il primo modello atomico detto “modello ad atomo pieno” ipotizzando una carica positiva che compensi la carica dell’elettrone rendendo l’atomo neutro. Nel corso del Novecento il suo modello viene superato numerose volte: val la pena citare il modello atomico planetario di Ernest Rutherford (1909), allievo di Thomson che nel 1919 scopre i protoni (il suo allievo James Chadwick a sua volta nel 1932 dimostra l’esistenza dei neutroni), e il modello atomico del danese Niels Bohr (1913), rielaborato tre anni dopo dal tedesco Arnold Sommerfeld, basato sugli studi di Max Planck e da cui inizia lo studio della fisica quantistica. Ad oggi il modello considerato valido è il cosiddetto modello quantomeccanico, evoluzione degli studi sulla fisica quantistica, basato sul principio d’indeterminazione postulato nel 1927 da Werner Karl Heisenberg secondo il quale l’accadere è “rimesso al gioco del caso”, ma anche sull’equazione formulata da Erwin Schrödinger nel 1926 che fonda la meccanica ondulatoria e sugli studi di fisica subnucleare, poi fisica delle particelle, ad esempio lo studio degli adroni (fisica adronica) e dei quark, le particelle indivisibili che formano protoni e neutroni teorizzate indipendentemente nel 1964 dai fisici statunitensi Murray Gell-Mann e George Zweig.

Oggi noi sappiamo che l’elettrone (il cui simbolo è “e−”) è la particella più leggera tra quelle dotate di carica e sebbene contribuisca solo in minimissima parte alla massa dell’atomo la nuvola elettronica intorno al nucleo ne rappresenta la maggior parte del volume. Come indagato da Robert Andrews Millikan nel 1909 e oggi accertato, la carica elettrica dell’elettrone, di cui tutte le cariche esistenti in natura sono multipli interi, è pari a –1,602 · 10-19 C (coulomb). Un’altra cosa nota è che l’osservazione del movimento e del comportamento, quindi del cambiamento di energia, degli elettroni potrebbe avere importantissime ripercussioni su numerosi ambiti se non fosse che queste particelle si muovono non solo in modo imprevedibile (ricordiamo il principio d’indeterminazione) ma anche a una velocità inimmaginabile. Per comprenderlo dobbiamo ripensare i nostri criteri temporali: la giornata di una persona comune si compone di ore, minuti e secondi; l’elettrone si muove in attosecondi. Prendiamo un secondo e moltiplichiamolo per 10-18 ottenendo così un trilionesimo di secondo (il rapporto è pari a quello che esiste tra un secondo e l’età dell’universo). Cosa accade in un arco così breve del tempo? Un nucleo atomico decade, la luce percorre esattamente 0,299792458 nanometri nel vuoto e, soprattutto, un elettrone si muove all’interno di un atomo. Da questa consapevolezza nasce la fisica degli attosecondi, o attofisica, volta a studiare i fenomeni di interazione luce-materia svelando così i processi dinamici nella materia stessa. 

Un contributo fondamentale a questa branca lo si deve alla fisica francese Anne L’Huillier, specializzata in fisica atomica, oggi docente all’Università di Lund, Svezia. Nel 1987 la studiosa, allora ricercatrice per il Saclay Nuclear Research Center (Francia), osserva che trasmettendo un fascio di luce laser a infrarossi attraverso un gas nobile si possono ottenere diversi sovratoni della luce, onde luminose generate dall’interazione della luce laser con gli atomi del gas. All’inizio del Terzo Millennio, così, Pierre Agostini, fisico di origini francesi oggi professore alla Ohio State University a Columbus, e Ferenc Krausz, fisico ungherese direttore del Max Planck Institute for Quantum Optics di Garching nonché docente all’Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera, lavorano nello stesso periodo a due esperimenti: quello di Agostini vuole produrre e studiare una serie di impulsi di luce consecutivi in cui ogni impulso dura solo 250 attosecondi; quello di Krausz, invece, tenta di isolare un singolo impulso di luce della durata di 650 attosecondi. Entrambi riescono a creare impulsi di luce più brevi di quanto fosse possibile fino a quel momento (quando si pensava al femtosecondo – scala temporale naturale dell’atomo pari a un secondo moltiplicato per 10-15 – come un limite invalicabile), arrivando a descrivere la prima misura in assoluto di un processo elettronico nella scala dell’attosecondo, come spiega l’ungherese in un articolo del dicembre 2021 pubblicato su Nature con cui annuncia il primo passo dell’attofisica, la subito ribattezzata “scienza del superveloce” che permette di vedere l’“invisibile” in frazioni di tempo impercettibili. 

Come ha recentemente spiegato L’Huillier, un elettrone si muove come “un’onda attorno alla molecola” e brevi impulsi di luci permettono di misurare “la dinamica dell’elettrone, quanto ci mette a muoversi”, laddove fino a ora la posizione delle particelle era calcolata in media. L’attofisica – che si traduce poi in attochimica – apre a nuovi sviluppi in numerosi campi, due tra tutti: quello dell’elettronica e dei semiconduttori e quello della medicina e della diagnostica medica. Rivoluzionario? Sì. Ecco perché, “per i metodi sperimentali che generano impulsi di luce ad attosecondi per lo studio della dinamica degli elettroni nella materia” come recita l’Accademia reale svedese delle scienze, i tre pionieri della ricerca sull’infinitamente piccolo L’Huiller, Agostini e Krausz sono stati insigniti lo scorso ottobre del Premio Nobel per la Fisica 2023. I frutti del loro lavoro sono ora in mano alle menti del domani, oggi studenti prima di diventare studiosi. Quando hanno chiesto a L’Huillier come avesse reagito alla notizia di aver ricevuto il riconoscimento, infatti, lei ha risposto: «sono stata felice della notizia, ma poi ho continuato a fare lezione».