Gli scienziati hanno ottenuto progressi significativi nella manipolazione di lampi di luce estremamente brevi, noti come impulsi ad attosecondi. I ricercatori del Max Born Institute (MBI) e del DESY hanno dimostrato una lente al plasma in grado di focalizzare questi impulsi, una svolta che promette di aumentare notevolmente la potenza disponibile per studiare i movimenti incredibilmente veloci degli elettroni. I risultati, pubblicati su Nature Photonics, aprono nuove entusiasmanti strade per comprendere e controllare il comportamento degli elettroni in atomi, molecole e materiali solidi.
Comprendere gli impulsi ad attosecondi e la sfida della focalizzazione
Gli impulsi di attosecondi, che durano solo un miliardesimo di miliardesimo di secondo, sono strumenti vitali per osservare e manipolare i movimenti degli elettroni. Tuttavia, focalizzare questi impulsi, che risiedono nelle regioni dell’estremo ultravioletto (XUV) e dei raggi X dello spettro elettromagnetico, è stato storicamente un grosso ostacolo. Gli attuali metodi convenzionali non sono all’altezza.
- Specchi: sebbene comunemente utilizzati, soffrono di una bassa riflettività e si degradano rapidamente.
- Lenti tradizionali: Sono efficaci per la luce visibile, ma non sono adatte per gli impulsi ad attosecondi perché assorbono la luce XUV e ampliano la durata dell’impulso.
La soluzione innovativa per le lenti al plasma
Il gruppo di ricerca ha superato questa sfida sviluppando una nuova lente al plasma. Il processo prevede l’invio di potenti impulsi elettrici attraverso l’idrogeno gassoso confinato all’interno di un minuscolo tubo. Questo priva rapidamente gli atomi di idrogeno dei loro elettroni, creando un plasma, uno stato della materia in cui gli elettroni sono separati dagli atomi. Gli elettroni si diffondono naturalmente verso l’esterno, formando una struttura plasmatica simile a una lente concava.
È importante sottolineare che, a differenza dei materiali comuni, il plasma piega la luce in modo da permettergli di focalizzare, anziché diffondere, gli impulsi ad attosecondi.
Principali vantaggi e risultati
La nuova lente al plasma offre numerosi vantaggi chiave:
- Messa a fuoco ad ampio spettro: l’obiettivo può mettere a fuoco efficacemente gli impulsi ad attosecondi su una gamma di lunghezze d’onda XUV.
- Lunghezza focale regolabile: La lunghezza focale dell’obiettivo può essere regolata controllando la densità del plasma.
- Elevata velocità di trasmissione: i ricercatori hanno raggiunto una velocità di trasmissione superiore all’80%, il che significa che una parte significativa degli impulsi ad attosecondi passa attraverso l’obiettivo.
- Sostituzione del filtro a infrarossi: La lente al plasma filtra efficacemente gli impulsi di guida a infrarossi che in genere richiedono filtri metallici separati. Eliminando la necessità di questi filtri si ottiene una sorgente luminosa ad attosecondi più forte e intensa.
Preservare la durata dell’impulso ultraveloce
Per caratterizzare appieno le prestazioni della lente al plasma, i ricercatori hanno condotto simulazioni computerizzate dettagliate. Queste simulazioni hanno rivelato che gli impulsi ad attosecondi hanno subito solo un leggero aumento della durata, da 90 a 96 attosecondi, dopo essere stati focalizzati. Inoltre, in condizioni realistiche in cui le componenti dell’impulso viaggiano a tempi leggermente diversi, la lente al plasma ha effettivamente compresso gli impulsi, riducendone la durata da 189 a 165 attosecondi.
Questa innovazione espande in modo significativo le possibilità per gli esperimenti sugli attosecondi, che sono spesso limitati dall’intensità della luce disponibile.
Lo sviluppo di questa lente al plasma rappresenta un sostanziale passo avanti nell’ottica ultraveloce, offrendo agli scienziati un nuovo potente strumento per sondare la dinamica fondamentale degli elettroni e aprendo la strada ad applicazioni innovative in campi come la scienza dei materiali e la tecnologia quantistica
