I fisici del Laboratorio di fisica dell'attosecondo della Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) di Monaco di Baviera e del Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) hanno sviluppato un nuovo tipo di rivelatore che consente di determinare con precisione il profilo di oscillazione delle onde luminose.

La luce è difficile da trattenere. Le onde luminose si propagano con una velocità di quasi 300, 000 km al secondo, e il fronte d'onda oscilla diverse centinaia di trilioni di volte in quello stesso intervallo. In caso di luce visibile, la distanza fisica tra i picchi successivi dell'onda luminosa è inferiore a 1 micrometro, e i picchi sono separati nel tempo da meno di 3 milionesimi di miliardesimo di secondo ( <3 femtosecondi). Per lavorare con la luce, bisogna controllarlo, e ciò richiede una conoscenza precisa del suo comportamento. Potrebbe anche essere necessario conoscere l'esatta posizione delle creste o delle valli dell'onda luminosa in un dato istante. I ricercatori del Laboratory for Attosecond Physics (LAP) della LMU di Monaco e del Max Planck Institute for Quantum Optics sono ora in grado di misurare l'esatta posizione di tali picchi all'interno di singoli impulsi ultracorti di luce infrarossa con l'aiuto di un nuovo rivelatore.

Tali impulsi, che racchiudono solo poche oscillazioni dell'onda, può essere utilizzato per studiare il comportamento delle molecole e dei loro atomi costituenti, e il nuovo rivelatore è uno strumento molto prezioso in questo contesto. Gli impulsi laser ultracorti consentono agli scienziati di studiare i processi dinamici a livello molecolare e persino subatomico. Utilizzando treni di questi impulsi, è possibile prima eccitare le particelle bersaglio e poi filmare le loro risposte in tempo reale. In campi di luce intensa, però, è fondamentale conoscere la forma d'onda precisa degli impulsi. Poiché il picco del campo luminoso oscillante (portante) e quello dell'inviluppo dell'impulso possono spostarsi l'uno rispetto all'altro tra diversi impulsi laser, è importante conoscere la forma d'onda precisa di ciascun impulso.

Il team di LAP, guidato dal dottor Boris Bergues e dal professor Matthias Kling, capo del gruppo Ultrafast Imaging e Nanophotonics, ha ora compiuto un decisivo passo avanti nella caratterizzazione delle onde luminose. Il loro nuovo rivelatore permette loro di determinare la 'fase, "cioè le posizioni precise dei picchi dei pochi cicli di oscillazione all'interno di ogni singolo impulso, a tassi di ripetizione di 10, 000 impulsi al secondo. Fare così, il gruppo ha generato impulsi laser polarizzati circolarmente in cui l'orientamento del campo ottico in propagazione ruota come una lancetta di orologio, e quindi focalizzato l'impulso rotante nell'aria ambiente.

L'interazione tra l'impulso e le molecole nell'aria si traduce in un breve scoppio di corrente elettrica, la cui direzione dipende dalla posizione del picco dell'onda luminosa. Analizzando la direzione esatta dell'impulso di corrente, i ricercatori sono stati in grado di recuperare la fase dell'offset portante-busta, " e ricostruire così la forma dell'onda luminosa. A differenza del metodo convenzionalmente impiegato per la determinazione della fase, che richiede l'uso di un complesso apparato per il vuoto, la nuova tecnica funziona in aria ambiente e le misurazioni richiedono pochissimi componenti aggiuntivi. "È probabile che la semplicità della configurazione assicuri che diventi uno strumento standard nella tecnologia laser, " spiega Matthias Kling.

"Riteniamo che questa tecnica possa essere applicata anche a laser con tassi di ripetizione molto più elevati e in diverse regioni spettrali, " afferma Boris Bergues. "La nostra metodologia è di particolare interesse nel contesto della caratterizzazione di impulsi laser estremamente brevi con alti tassi di ripetizione, come quelli generati dall'Extreme Light Infrastructure (ELI) in Europa, " aggiunge il Prof. Matthias Kling. Quando applicato alle ultime sorgenti di impulsi laser ultracorti, questo nuovo metodo di analisi della forma d'onda potrebbe aprire la strada a scoperte tecnologiche, oltre a consentire nuove intuizioni sul comportamento delle particelle elementari "nella corsia di sorpasso".