Quanto velocemente si può seguire l’evoluzione di fenomeni fisici o reazioni chimiche? Come è possibile registrare filmati di oggetti che si muovono talmente veloci da richiedere tempi estremamente brevi tra un fotogramma e l’altro se si considera che una cinepresa di ultima generazione può scattare un fotogramma ogni millisecondo? Come può essere “filmato”, per esempio, il movimento delle cariche all’interno di dispositivi elettronici o la formazione di legami durante le reazioni chimiche, che avvengono in tempi di circa 0.000000000001 secondi (picosecondi)? Molti dei processi di interesse per la fisica e la chimica moderna sono caratterizzati da dinamiche su queste scale di tempo.

Questo problema è stato risolto negli anni ‘80 mediante l’uso di impulsi laser brevi e la tecnica di pump&probe, che però ha il difetto di essere lenta: può ricostruire eventi rapidi ma solo disponendo di un sistema fisico o chimico stabile, sul quale si possa ripetere l’esperimento molte volte. Concettualmente, funziona così: supponiamo di disporre di una macchina fotografica sincronizzata con lo sparo di una pistola e voler seguire la traiettoria del proiettile mentre viene fermato da una massa di acqua nella quale si immerge. Ripetendo l’esperimento più volte e scattando fotografie a intervalli temporali variabili rispetto allo sparo, otterremmo il filmato del proiettile nei diversi istanti in cui entra in acqua. Il problema è che il sistema fisico (l’acqua nel nostro caso) può non essere stabile. Di qui la necessità di rendere il tempo di acquisizione di questa tecnica anche molto veloce.

Oggi una tecnica rivoluzionaria chiamata Asops (ASynchronous OPtical Sampling, in italiano: campionamento ottico asincrono) permette di ricostruire in pochi millisecondi fenomeni avvenuti su scale di tempo inferiori al picosecondo: è quindi possibile, finalmente, avere le immagini mentre il sistema fisico si evolve. Un sistema laser basato su questo principio è stato sviluppato dalla MenloSystem GmbH, azienda fondata a Monaco di Baviera dal premio Nobel per la Fisica 2005, Theodor W. Hänsch. Di questi strumenti di ultimissima generazione ne sono attualmente utilizzati una decina in  tutto il mondo e l’unico in Italia è stato installato nel mese di settembre nei laboratori di Spettroscopia ultraveloce del Dipartimento di Matematica e Fisica della sede bresciana. Questo strumento è stato acquisito dal gruppo guidato da Gabriele Ferrini, grazie a un finanziamento congiunto ottenuto dal ministero dell’Istruzione, Università e Ricerca e dall’Università Cattolica, attraverso un Progetto di ricerca di interesse nazionale (Prin), dedicato allo studio del movimento di elettroni e alla formazione di legami chimici con velocità mai raggiunte in precedenza.

Il gruppo di fisici dell’Università Cattolica, tra i quali figurano Claudio Giannetti e diversi dottorandi e studenti, ha sviluppato negli ultimi anni una tecnica per produrre impulsi di luce colorata della durata temporale di circa 5 picosecondi, che renderà più versatile l’uso della “cinepresa”, aggiungendo la possibilità di riprese a “colori” anziché in bianco e nero.* I risultati della ricerca sono stati pubblicati quest’anno sulla rivista internazionale Applied Physics Letters.  Si tratta di una tecnica innovativa che permetterà di studiare come si modificano le proprietà ottiche ed elettroniche di sistemi a stato solido (tutto quello che non è né liquido né gassoso, come i metalli, semiconduttori, vetri….!) e sistemi biologici durante il movimento di elettroni o la formazione di legami chimici. I nuovi strumenti saranno utilizzati per i progetti di ricerca avanzata in corso e saranno a disposizione di tutti gli studenti che svolgono tesi di laurea o di dottorato.

* F. Cilento, C. Giannetti, G. Ferrini et al. Ultrafast insulator-to-metal phase transition as a switch to measure the spectrogram of a supercontinuum light pulse. Applied Physics Letters 96, 021102 (2010).