Gli atomi sono composti da elettroni che si muovono attorno a un nucleo centrale a cui sono legati. Gli elettroni possono anche essere strappati via tramite il potente campo elettrico di un laser, superando la forza confinante del loro nucleo. Mezzo secolo fa, il teorico Walter Henneberger si chiedeva se fosse possibile utilizzare un campo laser per liberare un elettrone dal suo atomo senza rimuoverlo dal nucleo. Molti scienziati lo consideravano impossibile. Però, è stato ora confermato con successo dai fisici dell'Università di Ginevra (UNIGE), Svizzera, e il Max Born Institute (MBI) di Berlino, Germania.

Per la prima volta, i ricercatori hanno controllato la forma dell'impulso laser per mantenere un elettrone sia libero che legato al suo nucleo, ed erano allo stesso tempo in grado di regolare la struttura elettronica dell'atomo. Cosa c'è di più, hanno anche fatto in modo che questi stati insoliti amplificassero la luce laser e identificassero un'area vietata. In quest 'area, soprannominato "Valle della Morte, " i fisici hanno perso tutto il loro potere sull'elettrone. Questi risultati frantumano i soliti concetti legati alla ionizzazione della materia. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Fisica della natura .

L'ipotesi di Henneberger proponeva che se un elettrone fosse intrappolato nel laser, sarebbe costretto a passare avanti e indietro davanti al suo nucleo, e sarebbe quindi esposto al campo elettrico sia del laser che del nucleo. Questo doppio stato permetterebbe di controllare il moto degli elettroni esposti ad entrambi i campi elettrici, e permetterebbe ai fisici di creare atomi con una nuova struttura elettronica sintonizzabile con la luce.

Sfruttando le oscillazioni naturali dell'elettrone

Più intenso è un laser, più facile dovrebbe essere ionizzare l'atomo, in altre parole, strappare gli elettroni dal campo elettrico attrattivo del loro nucleo e liberarli nello spazio. "Ma una volta che l'atomo è ionizzato, gli elettroni non lasciano il loro atomo come un treno lascia una stazione:sentono ancora il campo elettrico del laser, " spiega Jean-Pierre Wolf, professore presso il dipartimento di fisica applicata della Facoltà di Scienze dell'UNIGE. "Volevamo quindi sapere se, dopo che gli elettroni sono stati liberati dai loro atomi, è ancora possibile intrappolarli nel laser e costringerli a stare vicino al nucleo, come suggerisce l'ipotesi di Walter Henneberger, " Aggiunge.

L'unico modo per farlo è trovare la forma giusta per l'impulso laser in modo da imporre oscillazioni sull'elettrone esattamente identiche, in modo che la sua energia e il suo stato rimangano stabili. "L'elettrone oscilla naturalmente nel campo del laser, ma se l'intensità del laser cambia, anche queste oscillazioni cambiano, e questo costringe l'elettrone a cambiare il suo livello di energia e quindi il suo stato, anche lasciando l'atomo. Questo è ciò che rende così difficile vedere stati così insoliti, "aggiunge Misha Ivanov, professore al dipartimento teorico dell'MBI a Berlino.

I fisici hanno testato diverse intensità laser in modo che l'elettrone liberato dall'atomo avesse oscillazioni costanti. Hanno fatto una scoperta sorprendente. "Contrariamente alle aspettative naturali che suggeriscono che più intenso è un laser, più facile libera l'elettrone, abbiamo scoperto che c'è un limite all'intensità, al quale non possiamo più ionizzare l'atomo, " osserva Misha Ivanov. "Al di là di questa soglia, possiamo controllare di nuovo l'elettrone." I ricercatori hanno soprannominato questo limite "Valle della Morte, " seguendo il suggerimento del professor Joe Eberly dell'Università di Rochester.

Confermando una vecchia ipotesi per rivoluzionare la teoria della fisica

Ponendo l'elettrone in uno stato duale che non è né libero né legato, i ricercatori hanno trovato un modo per manipolare queste oscillazioni a loro piacimento. Ciò consente loro di lavorare direttamente sulla struttura elettronica dell'atomo. Dopo vari aggiustamenti, i fisici riuscirono a liberare l'elettrone dal suo nucleo e poi intrappolarlo nel campo elettrico del laser, come suggerito da Walter Henneberger. "Applicando un'intensità di 100 trilioni di watt per cm ² , siamo stati in grado di andare oltre la soglia della Death Valley e intrappolare l'elettrone vicino al suo atomo genitore in un ciclo di oscillazioni regolari all'interno del campo elettrico del laser, " dice Jean-Pierre Wolf. A titolo di paragone, l'intensità del sole sulla Terra è di circa 100 watt per m ² .

"Questo ci dà la possibilità di creare nuovi atomi vestiti dal campo del laser, con nuovi livelli di energia degli elettroni, " spiega Jean-Pierre Wolf. "In precedenza pensavamo che questo doppio stato fosse impossibile da creare, e abbiamo appena dimostrato il contrario. Inoltre, abbiamo scoperto che gli elettroni posti in tali stati possono amplificare la luce. Questo giocherà un ruolo fondamentale nelle teorie e previsioni sulla propagazione dei laser intensi nei gas, come l'aria, " conclude.