Un laser ad alta velocità sempre più potente

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Jakub Drs (Image: UNINE)

Jakub Drs (Image: UNINE)

Il Time-Frequency Laboratory (LTF) dell’Università di Neuchâtel ha appena raggiunto una nuova performance nel campo dei laser ultraveloci. Il dispositivo trasforma un laser a infrarossi in uno stroboscopio, ogni cui impulso dura appena 27 femtosecondi (fs), cioè 27 miliardesimi di microsecondo, ma con una potenza paragonabile a quella di una centrale nucleare! Questa impresa è al centro di una tesi di dottorato che è stata appena difesa all’UniNE.

Non è la prima volta che la LTF si comporta in questo modo. Già nel 2018, uno dei suoi dottorandi, Clément Paradis, ha raggiunto prestazioni record con un laser ultraveloce. Quattro anni dopo, il lavoro svolto nell’ambito di un progetto* sostenuto dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica (FNS) ha permesso di aumentare la potenza del fascio all’interno della cavità laser di un fattore 25, da 80 megawatt a 2 gigawatt. La potenza equivalente a quella di una centrale nucleare è compressa in questi impulsi, che sono invisibili a occhio nudo", spiega Jakub Drs, che ha discusso la sua tesi di dottorato presso l’LTF all’inizio del mese.

Soprattutto, va notato che questa potenza molto elevata si verifica solo per un tempo estremamente breve. Per illustrare la brevità di questo impulso, possiamo dire che la durata di un femtosecondo rispetto a quella di un secondo equivale a paragonare il diametro di un capello alla distanza tra la Terra e la Luna (384.400 km).

Durante questo periodo, l’intensità del laser diventa tale da permettere agli elettroni di essere accelerati dal campo elettrico della luce laser. Grazie a questi elettroni accelerati", spiega Jakub Drs, "possiamo trasformare la lunghezza d’onda del nostro laser nell’estremo ultravioletto". Questo tipo di radiazione è normalmente disponibile solo in impianti di grandi dimensioni che coinvolgono interi edifici, come i sincrotroni o i laser a elettroni liberi (ne esiste uno in Svizzera). E qui lo produciamo su un banco di laboratorio. ’

Il nostro dispositivo a impulsi laser è unico", continua il ricercatore. In sostanza, lavoriamo soprattutto a monte della produzione del segnale, in una parte chiamata risonatore o cavità del laser, e non dopo l’uscita del fascio come fanno alcuni dei nostri concorrenti. Certo, si tratta ancora di un dispositivo sperimentale che occupa lo spazio di un grande tavolo, ma ci permette di ottenere prestazioni notevoli. ’

Questo risultato non è passato inosservato alla comunità scientifica. Jakub Drs ha ricevuto il Best Student Paper Award all’European Optical Society Annual Meeting 2021 a Roma, mentre un altro dottorando LTF che lavorava allo stesso progetto, Julian Fischer, ha vinto tre premi simili in prestigiose conferenze internazionali tra il 2021 e il 2022. Tutti questi riconoscimenti dimostrano che il lavoro svolto all’UniNE rappresenta lo stato dell’arte nel campo dei laser ultraveloci.ha dichiarato soddisfatto il professor Thomas Südmeyer, direttore di LTF, durante la laudatio della difesa di Jakub Drs, di cui ha curato la tesi.

Le applicazioni dei laser ultraveloci sono molto vaste e vanno dal taglio fine dei metalli alla diagnostica per immagini. Lo spettro di frequenza in cui opera il laser LTF è l’estremo ultravioletto: ciò lo rende uno strumento di imaging meno invasivo dei raggi X e adatto a rivelare la struttura cristallina di alcuni materiali. Ciò è particolarmente utile per la progettazione di semiconduttori, componenti chiave dei dispositivi elettronici di uso quotidiano.

Riducendo ulteriormente la durata degli impulsi, possiamo immaginare un giorno di visualizzare dal vivo la transizione energetica di un singolo elettrone quando cambia stato elettronico. Questa transizione dura solo poche decine di attosecondi (l’attosecondo è 1000 volte più breve del femtosecondo, n.d.t.) e ha iniziato a essere osservata solo negli ultimi anni grazie allo sviluppo della scienza degli attosecondi. Si tratta di un incredibile passo sperimentale nella fisica fondamentale. Speriamo di poter effettuare questo tipo di misurazione anche nel nostro laboratorio di Neuchâtel nei prossimi anni", prevede Jakub Drs. Ma questa è ancora musica per le orecchie del futuro.


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