L’organizzazione che assegna i Premi Nobel ha annunciato martedì che Pierre Agostini degli Stati Uniti, Ferenc Krausz della Germania e Anne L’Huillier della Svezia riceveranno il Premio per la Fisica per il loro lavoro utilizzando brevi impulsi luminosi per catturare il movimento di un elettrone durante un singolo istante. di tempo.
La ricerca del professor Robert Jones ha alcune sovrapposizioni con il lavoro dei vincitori del Nobel e ha collaborato con Pierre Agostini come parte di un team multiuniversitario prima del pensionamento di Agostini diversi anni fa. Foto di Dan Addison, Comunicazioni UVA
UVA Today ha chiesto a Robert Jones, professore di fisica Francis H. Smith presso l’Università della Virginia, di spiegare la natura del lavoro per il quale questo trio è stato premiato. Le aree di ricerca di Jones includono fisica atomica, molecolare e ottica sperimentale, fisica chimica sperimentale e fisica sperimentale informazioni quantistiche.
D. Cosa significa il lavoro del trio nel misurare il movimento di un elettrone?
R. Hanno sviluppato la capacità di produrre impulsi di luce straordinariamente brevi. Questi impulsi di luce, come un flash o un otturatore veloce su una fotocamera, possono essere utilizzati per catturare o congelare il movimento.
Immagina di guardare una partita di calcio e di voler scattare una foto dell’azione. Se non vuoi che sia sfocata devi avere un otturatore veloce o un flash sulla tua fotocamera che illumini la scena per un tempo molto, molto breve. Gli elettroni sono come il fluido di lavoro in una molecola o in un materiale e si muovono più velocemente quando agiscono le forze.
Elettroni che si muovono in un materiale quantistico – interpretazione artistica / generato da DALL·E 3
E quel movimento può essere straordinariamente veloce. Pensa a un elettrone che si muove attorno a un atomo come la Terra si muove attorno al sole. L’elettrone impiega circa 100 attosecondi per muoversi nella sua orbita. La domanda è: cos’è un attosecondo?
Esistono diversi modi abbreviati per pensare quanto sia breve un attosecondo. Uno di questi è che ci sono tanti attosecondi in un secondo quanti sono i secondi nell’età dell’universo. Quindi un secondo della nostra vita sembra l’età dell’universo a un elettrone in una molecola o in un materiale. Le scale temporali rilevanti sono straordinariamente diverse.
Se non puoi vedere direttamente il movimento, potresti essere in grado di dedurre cosa sta succedendo – su scala atomica – applicando leggi fisiche e talvolta teorie approssimative. Ma se vuoi davvero fare progressi in qualsiasi tipo di attività scientifica, è utile vedere realmente il processo che stai studiando. Essere in grado di scattare istantanee del movimento degli elettroni, utilizzando questi impulsi luminosi molto brevi, fornisce informazioni che prima semplicemente non erano disponibili.
D. Come hanno fatto?
R. È stato un processo lungo. La risposta breve è che questi impulsi luminosi ad attosecondi vengono prodotti quando un raggio laser molto, molto intenso viene focalizzato in un gas di atomi. Gli elettroni in quegli atomi rispondono alle forze elettriche nell’onda luminosa del laser. Quando le forze sono straordinariamente forti, gli elettroni carichi negativamente vengono strappati via dai nuclei carichi positivamente che li legano.
Ma poiché la luce è un’onda con creste e avvallamenti, quando le forti forze luminose si invertono periodicamente, un elettrone liberato vicino alla cresta dell’onda può successivamente essere respinto da dove proviene, sbattendo contro il suo ione genitore. Quando lo fa, può ricombinarsi per riformare un atomo, rilasciando tutta l’energia che aveva guadagnato sotto forma di un’esplosione di luce debole ma molto breve. La parte veramente difficile è far lavorare insieme tutti gli atomi e gli elettroni del gas, in modo che tutte quelle minuscole raffiche agiscano di concerto per creare un fascio luminoso di impulsi ad attosecondi.
D. Perché è così importante?
R. È importante per un paio di motivi. Gli scienziati esplorano e cercano di comprendere l’ignoto. Questo è uno strumento per farlo. Abbiamo bisogno di strumenti che ci aiutino a comprendere cosa sta succedendo ai diversi estremi di tempo, distanza ed energia. Gli scienziati creano continuamente nuovi strumenti per studiare il nostro universo su queste diverse scale, che si tratti del Webb [Space] Telescopio per guardare indietro nel tempo attraverso l’universo o impulsi luminosi ad attosecondi per osservare gli elettroni muoversi attorno a una molecola. Le nostre osservazioni forniscono risposte a domande fondamentali e guidano le nostre teorie sul perché le cose sono e su come funzionano.
Ci sono anche implicazioni pratiche. Si tratta in realtà di usare la nostra comprensione della materia al livello più sottile – singoli atomi ed elettroni – per cercare di controllarne le proprietà e il comportamento. Se voglio che una carica si muova attraverso una molecola il più velocemente o nel modo più efficiente possibile per convertire la luce in energia elettrica o avviare una reazione chimica, come posso farlo? Un modo è osservare come si muove effettivamente quella carica, a partire dall’istante in cui la luce colpisce la molecola, e sono gli elettroni a muoversi per primi.
D. Cosa sono i applicazioni pratiche a questo lavoro?
R. Le applicazioni pratiche riguardano il controllo e l’ingegneria alle scale più fini. Un’applicazione è l’ottimizzazione del flusso di carica ed energia attraverso una molecola o un materiale. Quando la luce viene assorbita, quali sono i primi passi nel movimento dell’elettrone e in che modo ciò determina il modo in cui la carica si muove attraverso il materiale o la molecola per convertire l’energia luminosa in energia elettrica? Se vuoi realizzare una fotocellula, quanto tempo impiega l’energia per essere trasferita e possiamo migliorare questa velocità? Come in tutta l’elettronica, quando la carica deve spostarsi per distanze, si verifica una perdita di energia. Possiamo usare le informazioni sul veloce movimento degli elettroni per ridurre al minimo la perdita e ottenere la massima quantità di elettricità con la minima quantità di luce in entrata?
Un’altra potenziale applicazione è l’elettronica ultraveloce. L’elettronica attuale, come i computer e il Wi-Fi, elabora i dati a velocità di pochi gigahertz. Ma i singoli elettroni nei materiali sono in grado di muoversi avanti e indietro molto più velocemente di così. Per alcune applicazioni, potremmo essere in grado di spostare le velocità di elaborazione al regime ottico anziché a microonde. Un esempio di ciò è l’elettronica delle onde luminose, dove la commutazione elettronica è guidata dall’onda luminosa stessa, a velocità maggiori di fattori di centomila.
D. Questo ha applicazioni per la tua ricerca?
R. Sì. Parte del nostro lavoro ha coinvolto impulsi ad attosecondi e l’obiettivo centrale di gran parte della nostra ricerca è cercare di visualizzare e controllare il movimento veloce degli elettroni negli atomi e nelle molecole. Un progetto di collaborazione che sto portando avanti è alla ricerca delle oscillazioni periodiche degli elettroni lungo la lunghezza di una molecola. Ciò potrebbe derivare dalla rapida rimozione di un elettrone vicino alla cresta dell’onda luminosa in un laser intenso. Potrebbe essere importante per impostare la velocità o l’efficienza del trasferimento permanente di carica attraverso la molecola o delle reazioni chimiche. Pierre Agostini era effettivamente membro del nostro team multiuniversitario prima del suo pensionamento diversi anni fa.
Fonte: Università della Virginia
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
