Un nuovo protocollo di misurazione, sviluppato presso TU Wien (Vienna), rende possibile misurare la fase quantistica degli elettroni, un passo importante per la fisica degli attosecondi.

È come un microscopio per il tempo:i metodi odierni della fisica degli attosecondi ci consentono di misurare intervalli di tempo estremamente brevi. Con l'aiuto di brevi impulsi laser, i processi fisici possono essere studiati su una scala temporale di attosecondi, ovvero miliardesimi di miliardesimo di secondo.

Per esempio, è possibile studiare come un singolo atomo viene ionizzato e come un elettrone lascia l'atomo. L'elettrone non si comporta semplicemente come una particella puntiforme, ma le sue proprietà d'onda quantistiche-fisiche giocano un ruolo importante:l'elettrone è in realtà un'onda elettronica che oscilla su una scala temporale estremamente breve e su una scala di lunghezza minuscola. È una grande sfida misurare la durata del ciclo di una tale oscillazione, ma è ancora molto più difficile determinarne la fase:qual è esattamente il battito che segue l'oscillazione dell'elettrone? Se un elettrone può essere ionizzato in due modi diversi, entrambe le onde elettroniche oscilleranno in perfetto unisono, o ci sarà un piccolo ritardo temporale (cioè uno sfasamento)? Un team della TU Wien (Vienna) e del CREOL College dell'Università della Florida centrale ha ora progettato teoricamente un protocollo che consente la misurazione della fase di tali onde elettroniche. Ciò consente un nuovo, migliore visualizzazione di importanti fenomeni utilizzati nei fotosensori o nel fotovoltaico.

Gli elettroni sono fuori sincrono?

"Ogni onda è costituita da creste e depressioni d'onda, e la fase dell'onda ci dice in quali punti nello spazio e nel tempo si trovano, " dice Stefano Donsa, che ha sviluppato il nuovo metodo di misurazione, lavorando alla sua tesi nel gruppo di ricerca del Prof. Joachim Burgdörfer (Istituto di Fisica Teorica, TU Vienna). "Se due onde quantistiche si sovrappongono in modo tale che ogni picco d'onda di un'onda incontra un picco d'onda dell'altra onda, poi si sommano. Ma se sposti un po' una delle onde in modo che la cresta dell'onda di un'onda si sovrapponga alla depressione dell'altra onda, possono anche annullare." Pertanto, gli sfasamenti giocano un ruolo molto importante nella fisica quantistica.

È come trovare il ritmo giusto nella musica:non basta che due musicisti suonino allo stesso tempo. Anche i loro battiti devono coincidere esattamente nel tempo, senza alcuno sfasamento intermedio. Per questo è necessario un orologio di riferimento, come un direttore d'orchestra o un metronomo. Il protocollo di misurazione quantistica di nuova concezione utilizza qualcosa di simile:un processo atomico funge da riferimento per l'altro.

Uno o due fotoni

"Nelle simulazioni al computer, abbiamo studiato atomi di elio che vengono ionizzati da impulsi laser a diverse energie, " dice Iva Brezinova. "L'atomo di elio può assorbire un fotone dall'impulso laser ed emettere un elettrone. Questo elettrone ha quindi una fase specifica, che è estremamente difficile da misurare."

Il trucco del metodo appena sviluppato consiste nell'aggiungere un secondo effetto quantistico come orologio, che funge da metronomo quantistico, per così dire. Invece di assorbire un solo fotone, l'atomo può anche assorbire due fotoni contemporaneamente, a determinate condizioni. Questo doppio assorbimento porta allo stesso risultato finale:un elettrone che vola via con un'energia molto specifica. Ma questa volta questo elettrone ha una fase diversa, e questa differenza può essere misurata.

Protocolli di misurazione complicati

Nella fisica degli attosecondi non è possibile creare semplicemente un filmato di un sistema fisico quantistico con una telecamera. Anziché, devono essere utilizzati complicati protocolli sperimentali. Attualmente sono in uso diversi protocolli di questo tipo, ma nessuno di essi ha finora consentito la misurazione diretta della fase dell'elettrone.

Il nuovo protocollo, che ora è stato sviluppato dai team di Vienna e Florida, dovrebbe renderlo possibile. "Il nostro nuovo protocollo di misurazione ci consente di tradurre le informazioni sulla fase elettronica nella sua distribuzione spaziale combinando impulsi laser molto speciali, " spiega Stefan Donsa. "Utilizzando il tipo corretto di impulsi laser, l'informazione di fase può essere ottenuta direttamente dalla distribuzione angolare degli elettroni."

Il nuovo protocollo sperimentale proposto è stato pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica . Ora, sta a sperimentare per testare i limiti di questo metodo, per vedere quali informazioni di meccanica quantistica possono essere ottenute in pratica utilizzando il nuovo protocollo.