Laser Potenti Sotto la Lente: Sveliamo i Segreti dell’Ionizzazione Atomica Direttamente sul Posto!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi nel cuore pulsante della fisica moderna, in un mondo dove la luce diventa così intensa da strappare letteralmente gli elettroni agli atomi. Parliamo di fenomeni di ionizzazione da campo forte indotti da laser, un campo affascinante che è alla base della scienza degli attosecondi – quella che studia eventi che durano miliardesimi di miliardesimi di secondo!

Capire esattamente cosa succede quando questi potentissimi impulsi laser a femtosecondi (milionesimi di miliardesimi di secondo) colpiscono la materia è fondamentale. Immaginate: il primo passo per generare impulsi di luce ancora più brevi, gli attosecondi, si basa proprio su questo processo di ionizzazione estrema. Tecniche sofisticate come l'”attoclock” usano questo fenomeno per sbirciare nei dettagli più intimi del tunneling quantistico. È un po’ come avere una macchina fotografica ultra-veloce per il mondo atomico e molecolare.

Il Problema: Misurare l’Immisurabile?

Sembrerebbe semplice, no? Misuri l’energia del laser, la durata dell’impulso, la dimensione del fascio focalizzato e calcoli l’intensità. Peccato che non funzioni quasi mai! Ci siamo resi conto da tempo che questo approccio “semplice” porta a errori enormi, spesso superiori al 50%. Perché? Beh, i motivi sono tanti:

• La qualità del fascio laser non è mai perfetta.
• Le lenti o gli specchi usati per focalizzare introducono aberrazioni.
• Gli impulsi ultrabrevi si distorcono facilmente (dispersione, chirp spaziale…).
• I laser ad alta potenza non sono perfettamente stabili, fluttuano nel tempo.

Considerando che i fenomeni di campo forte sono estremamente non lineari (un piccolo cambiamento nell’intensità provoca un effetto gigantesco), capirete che questi errori non sono accettabili. Serve un modo per misurare le caratteristiche del laser direttamente lì dove avviene l’interazione, in situ, nel volume focale.

Finora, le tecniche per farlo erano complesse, costose e spesso richiedevano condizioni sperimentali (come densità di gas bassissime) incompatibili con molte applicazioni, specialmente la generazione di armoniche elevate (HHG), il cuore della scienza degli attosecondi. Altri metodi, come stimare l’intensità dal “cutoff” delle armoniche generate, si sono rivelati soggettivi e imprecisi a causa di effetti collettivi nel gas. Insomma, eravamo di fronte a un bel collo di bottiglia.

La Nostra Soluzione: Guardare Dentro l’Azione

Ecco dove entra in gioco la nostra idea. Abbiamo sviluppato uno schema nuovo, elegante e relativamente semplice per misurare e controllare in situ l’intensità e la durata degli impulsi laser a femtosecondi, proprio nel punto focale e a densità di gas tipiche per gli esperimenti di attosecondi. Come? Combinando due cose:

1. Imaging coniugato del fuoco: In pratica, usiamo un microscopio per “vedere” come è fatto il fascio laser esattamente nel punto in cui interagisce con il gas.
2. Misure di ioni in situ: Abbiamo costruito un rivelatore di ioni molto semplice (due piastre metalliche, una a griglia, tra cui applichiamo un voltaggio) posizionato proprio attorno al getto di gas. Quando il laser ionizza il gas, si crea una corrente tra le piastre che possiamo misurare con un oscilloscopio.

Il segnale che misuriamo è direttamente proporzionale alla quantità totale di ioni creati. Ma la vera magia avviene quando facciamo queste misure usando due gas diversi, come l’elio (He) e l’argon (Ar), mantenendo esattamente le stesse condizioni del laser.

L’elio ha un potenziale di ionizzazione altissimo (serve molta energia per strappargli un elettrone), mentre l’argon è più “facile” da ionizzare. Questa differenza è cruciale.

Capire la Danza dell’Ionizzazione: Il Modello Teorico

Misurare il segnale ionico al variare dell’energia del laser è solo metà del lavoro. L’altra metà, fondamentale, è interpretare questi dati. Qui entra in gioco la teoria della ionizzazione da campo forte.

Quando il campo elettrico del laser diventa paragonabile a quello che tiene legati gli elettroni al nucleo (parliamo di intensità pazzesche, ≥ 10¹⁴ W/cm²), le cose si complicano. Non basta più pensare agli elettroni che assorbono un certo numero di fotoni (regime multifotonico, valido a intensità più basse). Entriamo nel regime di tunneling o addirittura di soppressione della barriera (BSI – Barrier Suppression Ionization), dove il campo laser deforma così tanto il potenziale atomico che l’elettrone può letteralmente “scappare” attraversando una barriera o addirittura vedendola sparire.

Il parametro chiave che distingue questi regimi è il parametro di Keldysh (γ). Gamma grande significa regime multifotonico, gamma piccolo significa regime di tunneling. Nel nostro esperimento, il fascio laser non ha un’intensità uniforme: è più intenso al centro e meno ai bordi. Questo significa che nel volume focale coesistono diverse condizioni di ionizzazione!

Per descrivere accuratamente cosa succede, abbiamo sviluppato un modello teorico dinamico che tiene conto di tutti i processi rilevanti:

• Ionizzazione singola: L’atomo perde un elettrone (modellata con la teoria PPT – Perelomov, Popov, Terentev, che è più accurata della più semplice ADK, specialmente nel regime intermedio).
• Ionizzazione doppia sequenziale (SDI): Lo ione +1 perde un secondo elettrone.
• Ionizzazione doppia non sequenziale (NSDI): Il primo elettrone strappato via viene accelerato dal campo laser, torna indietro e colpisce lo ione genitore, strappando un secondo elettrone (un processo più complesso!).
• Eccitazione non sequenziale (NSE) e RESI: Simile a NSDI, ma l’elettrone che ritorna eccita lo ione, che viene poi ionizzato più facilmente dal laser.
• Correzione BSI: Per tenere conto del fatto che a intensità estreme, i modelli standard sovrastimano la ionizzazione.

Risolviamo questo sistema di equazioni accoppiate tenendo conto della forma spaziale misurata del fascio laser e della distribuzione di densità del getto di gas (che abbiamo misurato con una tecnica di tomografia!).

Cosa Abbiamo Scoperto: Sorprese dall’Elio e dall’Argon

Abbiamo misurato il segnale ionico per elio e argon a diverse energie dell’impulso laser e a diverse pressioni del gas nel getto. Come previsto, più alta la pressione (e quindi la densità del gas), più forte il segnale. E l’argon, più facile da ionizzare, dà un segnale più forte dell’elio a parità di energia laser.

La prima sorpresa è arrivata quando abbiamo normalizzato le curve di ionizzazione (segnale ionico vs energia laser): per un dato gas, le curve misurate a diverse pressioni erano praticamente sovrapponibili! Questo è notevole, perché ci si potrebbe aspettare che a densità più alte, processi post-ionizzazione (come la ricombinazione degli ioni o effetti di carica spaziale) influenzino il segnale in modo non lineare. Invece, sembra che il nostro segnale misurato rifletta fedelmente la produzione di ioni iniziale, almeno nel range di densità da noi esplorato.

A questo punto, abbiamo usato il nostro modello teorico per “fittare” le curve sperimentali. L’unico parametro libero nel fit, dato che misuriamo l’energia per impulso e la forma spaziale del fascio, è la durata dell’impulso (τ_FWHM) nel punto focale.

I risultati sono stati fantastici!

• Per l’elio, dove domina la ionizzazione singola, il fit è risultato eccellente, fornendo una durata d’impulso di circa 42 fs (femtosecondi).
• Per l’argon, dove la ionizzazione doppia (soprattutto SDI) e la BSI giocano un ruolo fondamentale, il fit è stato comunque molto buono e ha restituito una durata d’impulso di circa 43 fs.

La coerenza tra i risultati ottenuti con due gas così diversi, che subiscono processi di ionizzazione molto differenti, è una forte validazione del nostro approccio e del nostro modello teorico. Abbiamo provato a fare i calcoli per l’argon trascurando la ionizzazione doppia o la BSI: i risultati diventavano completamente incoerenti (durate stimate di 74 fs o 58 fs!), dimostrando quanto sia cruciale considerare tutta la fisica in gioco.

Un altro risultato chiave: la durata misurata in situ (circa 43 fs) era significativamente più lunga di quella misurata all’uscita del laser (30 fs)! Questo dimostra plasticamente perché le misure in situ sono indispensabili: usare il valore “nominale” avrebbe portato a sottostimare la durata e quindi a sovrastimare l’intensità di picco del 40%!

Abbiamo anche verificato che il metodo è robusto rispetto alla forma temporale esatta dell’impulso (sech², gaussiana, o anche impulsi distorti dalla dispersione). Questo perché la ionizzazione da campo forte è così non lineare che dipende principalmente da cosa succede attorno al picco dell’impulso, e lì le diverse forme d’impulso con la stessa FWHM non sono poi così diverse.

Perché è Importante: Un Salto Quantico per la Scienza

Questa nuova tecnica risolve un problema annoso che limitava l’accuratezza degli esperimenti di fisica del campo forte e, in particolare, della scienza degli attosecondi. Ora possiamo sapere con precisione quali sono le reali condizioni del campo laser che “vedono” gli atomi e le molecole.

Combinando questa misura in situ dell’intensità e durata, risolta spazialmente, con altre tecniche (come la misura del fronte d’onda delle armoniche generate), si apre la strada per superare il problema della “media spaziale”: finora, i segnali misurati erano una media su tutto il volume focale, dove l’intensità varia enormemente. Ora possiamo puntare a ricostruire la risposta del singolo atomo o molecola!

Questo avrà un impatto enorme su tantissimi esperimenti:

• Imaging di orbitali atomici e molecolari.
• Seguire dinamiche molecolari su scala ultraveloce.
• Studiare il tunneling quantistico con precisione inedita.
• Capire meglio processi come il decadimento Auger.

Inoltre, il fatto che il nostro metodo funzioni così bene con l’elio, dove il modello teorico è più semplice e consolidato, suggerisce che possiamo usarlo come strumento per testare e raffinare i modelli di ionizzazione per atomi e molecole più complessi, dove la fisica è ancora più intricata.

Insomma, abbiamo aperto una nuova finestra per guardare dentro i processi fondamentali dell’interazione luce-materia a regimi estremi. Non è affascinante? Il viaggio nella fisica degli attosecondi è appena diventato ancora più preciso ed entusiasmante!

Fonte: Springer