Perfezionamento dell’effetto tunnel con precisione all’attosecondo
Secondo le leggi della fisica quantistica, gli elettroni legati agli atomi possono penetrare attraverso una barriera di potenziale confinante come un’onda. L’onda può raggiungere l’altro lato della barriera senza scavalcarla. La questione del tempo necessario a un elettrone per attraversare la barriera è stata al centro del dibattito teorico fin dagli albori della fisica quantistica. Nel 2008 i ricercatori del Politecnico federale di Zurigo (ETHZ), in Svizzera, hanno manipolato atomi di elio con un impulso laser per ridurre la barriera alla ionizzazione. In questo modo è stato possibile per uno degli elettroni uscire attraverso un tunnel, e misurare per la prima volta le tempistiche dell’effetto tunnel. I ricercatori hanno proposto il progetto ULAD (“Ultrafast lasers and attosecond dynamics”) al fine di sviluppare un solido framework teorico per i loro esperimenti. Nel corso del progetto ULAD, gli scienziati hanno confrontato le previsioni delle principali teorie concorrenti e applicato un nuovo approccio al calcolo dei tempi dell’effetto tunnel. Nello specifico, la distribuzione della probabilità dei tempi dell’effetto tunnel è stata stimata con l’uso degli integrali sui cammini di Feynman. Questo approccio ha portato a risultati che corrispondono ai dati sperimentali. I ricercatori del progetto ULAD hanno applicato modelli adiabatici e non adiabatici per calcolare il tempo dell’effetto tunnel dalle misurazioni sperimentali. Hanno scavato in profondità nell’incompatibilità dei tempi dell’effetto tunnel derivati teoricamente con le misurazioni sperimentali. In questo modo hanno ottenuto una comprensione teorica più approfondita del processo fisico che sta dietro all’attraversamento degli elettroni di una barriera di potenziale. I risultati del progetto ULAD sono stati descritti in sei articoli scientifici pubblicati in eminenti riviste specialistiche: tre in Physical Review Letters, Optica J. Phys. B (riconosciuto come migliore del 2013 di J. Phys. B) e New Journal of Physics (riconosciuto come migliore del 2013 tra tutte le riviste IOP). Il lavoro di ricerca ha inoltre ricevuto importanti attenzioni presso le conferenze internazionali a cui è stato presentato. Sono già stati pianificati ulteriori esperimenti presso l’ETHZ per convalidare i risultati del progetto ULAD. Le questioni risolutive che emergono dai risultati sperimentali offriranno ai fisici una conoscenza più approfondita della struttura degli atomi oltre che dello stesso processo di ionizzazione.
Parole chiave
Effetto tunnel, attosecondo, elettroni, fisica quantistica, laser ultraveloci
