di Andrea Lapini e Mario Siciliani de Cumis
Mai come quest’anno il confine tra chimica, fisica e scienza dei materiali è stato così sottile. L’assegnazione dei premi Nobel per gli studi di chimica e di fisica hanno premiato ricerche sull’infinitamente piccolo e sull’infinitamente breve, aprendo nuove rotte per navigare attraverso la struttura della materia, studiando i processi ultrarapidi che la caratterizzano e correndo lungo il confine del principio di indeterminazione di Heisenberg.
La sintesi dei punti quantici – quantum dot – ha portato all’assegnazione del Nobel per la Chimica a Moungi Bawendi, Louis E Brus e Alexey Ekimov.
Le dimensioni dell’ordine dei miliardesimi di metro conferiscono a tali oggetti le ‘magiche’ proprietà peculiari della meccanica quantistica.
Quando una particella viene confinata in uno spazio molto piccolo, per le leggi della meccanica quantistica, l’energia ad essa associabile non può più assumere dei valori continui, ma discreti e si entra nel mondo della fisica quantistica.
La sintesi di tali oggetti ha aperto la strada a numerosi filoni di ricerca ponendo le basi per diverse tecnologie oggi di uso comune e per le tecnologie di domani.
Poter controllare in maniera precisa la dimensione dei punti quantici consente per esempio la realizzazione di sorgenti di luce con emissione a ben selezionate lunghezze d’onda (colori), aventi dunque una “purezza spettrale” molto elevata, oppure rivelatori estremamente sensibili e selettivi. Inoltre, i punti quantici costituiscono la base per componenti elettronici sempre più efficienti e a basso costo.
I quantum dot sono già ampiamente diffusi nella vita di tutti i giorni: vengono utilizzati per gli schermi di computer e televisioni di ultima generazione mentre i laser a quantum dot si sono dimostrati estremamente performanti nello sviluppo di reti ottiche di trasporto dati ad alta velocità.
Saranno la base di alcune classi di sensori del futuro, di dispositivi nano elettronici e di sorgenti per comunicazioni e calcoli quantistici con interessanti risvolti in ambito di diagnostica medica e nel settore spaziale.
Il Nobel per la Fisica è andato a Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier «…per i metodi sperimentali che generano impulsi di luce di un trilionesimo di secondo – “attosecondo” – per lo studio della dinamica degli elettroni nella materia».
Oltre alla sfida tecnica affrontata per realizzare impulsi di luce così brevi, i ricercatori hanno di fatto costruito uno strumento per lo studio di tutti quei processi che coinvolgono il movimento degli elettroni.
Dal punto di vista tecnologico, la generazione di impulsi ad “attosecondi” si basa sul processo delle sorgenti di armoniche di ordine elevato – High Harmonic Generation – che generano l’impulso ottenendo un multiplo della frequenza del fascio di laser principale.
Le così dette armoniche di ordine elevato vengono generate quando un intenso impulso laser viene focalizzato su un mezzo gassoso: a causa della forte interazione non lineare, possono essere generate armoniche dispari a frequenza più alta rispetto alla frequenza ottica dell’impulso pilota.
Questa forte interazione non lineare porta alla produzione di un treno di “lampi di luce” o light-burst nella regione spettrale dell’ultravioletto estremo -Xuv- con durata temporale di attosecondi.
Se da un lato gli impulsi di luce di durata da pochi femtosecondi fino a poche decine di femtosecondi hanno concesso negli ultimi quarant’anni – come non ricordare il premio Nobel per la Chimica ad Hamed Zewahil- di far luce su processi molecolari fondamentali e gli intermedi di reazione, lo sviluppo di impulsi di qualche decina di attosecondi ha permesso di studiare direttamente il moto delle nubi elettroniche in atomi e molecole.
Caratterizzare il moto elettronico ha un’importanza fondamentale nella comprensione di tutti quei fenomeni che sono legati all’interazione della luce con la materia.
Grazie ad impulsi di poche decine di attosecondi, i ricercatori sono stati in grado, per esempio, di chiarire il meccanismo di rilascio degli elettroni nell’effetto fotoelettrico, fenomeno la cui scoperta valse il premio Nobel ad Albert Einstein.
Allo stesso tempo, impulsi così brevi permettono di studiare le dinamiche nella fotochimica di molecole e materiali che svolgono ruoli chiave in processi biologici, per comprendere e in ultima analisi controllare quei processi che portano al danneggiamento, alla mutazione e, più in generale, all’alterazione delle funzioni biologiche delle macromolecole.
C’è anche un po’ d’Italia in questi premi… la fondazione per il Nobel, nel documento di approfondimento sul background scientifico del premio ha citato i lavori dei prof. Orazio Svelto e Mauro Nisoli del Politecnico di Milano e il Dott. Marco Bellini, dirigente di ricerca dell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR. Enti con i quali l’Agenzia Spaziale Italiana ha instaurato collaborazioni consolidate e proficue.
Questi filoni di ricerca sono l’ennesima dimostrazione di come la multidisciplinarietà sia un valore aggiunto e ormai imprescindibile.
La fisica agli attosecondi ci offre una finestra senza precedenti sul comportamento degli elettroni negli atomi e nelle molecole. Ciò ha permesso di studiare processi come la fotoemissione, la migrazione di cariche e le collisioni elettroniche con una risoluzione temporale senza precedenti.
Scoperte che hanno notevolmente ampliato la nostra comprensione della meccanica quantistica e dei fenomeni legati all’interazione tra luce e materia, portando verso potenziali applicazioni diagnostiche e terapeutiche nello studio della fotoemissione nelle cellule e nei tessuti biologici.
Inoltre hanno consentito lo sviluppo di trasmissioni ad altissima velocità su reti di fibra ottica e l’elaborazione estremamente veloce di dati, senza dimenticare le prospettive inerenti l’ingegnerizzazione di materiali estremamente efficienti nella conversazione di fotoni in elettricità… magari per realizzare proprio pannelli solari da impiegare in un ambiente ostile come quello spaziale
I quantum-dot, entrati nella nostra vita quotidiana ‘a nostra insaputa’, sono quei “mattoncini” quantistici che continuano a stupirci per le molteplici applicazioni in tantissimi campi dalla nanomedicina, come ad esempio la marcatura delle cellule tumorali, la sensoristica, lo sviluppo di dispositivi intrinsecamente quantistici che costituiranno la base dei futuri calcolatori.
E proprio l’ambiente spaziale sarà il banco di prova estremo di queste nuove tecnologie che grazie alle loro prestazioni e alle loro dimensioni estremamente contenute, potranno essere di supporto e facilitare le missioni per l’ esplorazione dell’universo, lo studio del nostro pianeta, gli sviluppi tecnologici per rendere il nostro quotidiano più semplice e sicuro.
Andrea Lapini si è laureato in Chimica presso l’Università di Firenze ed ha conseguito il dottorato di Ricerca presso il Laboratorio Europeo per le Spettroscopie non-Lineari (LENS). Dopo un periodo di post-dottorato tra il LENS e l’Istituto Nazionale di Ottica (INO-CNR) è diventato ricercatore permanente presso l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM). Nel 2021 diventa ricercatore a tempo determinato (rtd-B, assistant professor) di Chimica Fisica presso il Dipartimento di Scienze Chimiche della Vita e della Sostenibilità Ambientale dell’Università degli studi di Parma. Ha un’ampia e ben documentata attività scientifica nello studio di processi fotofisici e fotochimici a livello moolecolare mediante l’uso di impulsi ultracorti (femtosecondi).
Mario Siciliani de Cumis è un ricercatore della direzione programmi dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). Laureato e dottorato presso l’Università di Catania. Ha svolto un periodo di postdoc presso l’Istituto Nazionale di Ottica (INO-CNR) nel quale ha avuto modo di partecipare ad una campagna di misura al circolo polare artico. È stato ricercatore a tempo determinato presso l’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) di Torino. Dal 2017, svolge le sue attività di ricerca presso la sede di Matera dell’ASI occupandosi di sorgenti laser per esperimenti di metrologia, spettroscopia e tecnologie quantistiche. È responsabile delle unità ASI per i progetti Europei QOMBS (sulla simulazione quantistica) e QUID (sulla comunicazione quantistica) e del progetto QASINO.
In apertura: immagine di Quantum particles, quantum computer, galaxy-like. Credito: Shutterstock.