Per la prima volta gli scienziati hanno misurato degli elettroni che si sono scavati la loro strada per uscire dagli atomi. Ogni fuga è avvenuta con una velocità straordinaria, in meno di un miliardesimo di milionesimo di secondo.

Nonostante l’impresa sia largamente di interesse accademico, il gruppo ha spiegato che potrebbe accelerare la ricerca dei laser a raggi X compatti, che potrebbero portare a un miglioramento delle diagnosi precoci del cancro.

Gli elettroni hanno una carica negativa e sono incollati dentro gli atomi dalla forza d’attrazione del loro nucleo carico positivamente. Nella fisica classica, un elettrone non può uscire dall’atomo a meno che non riceva abbastanza energia per superare questa forza, risalendo la “barriera potenziale” del nucleo.

 Ma la meccanica quantistica permette un’ altra via - l’elettrone può scavare un tunnel dritto attraverso la barriera con una certa probabilità. Questo quantum tunneling è una banalità nel mondo microscopico. Ma, fino ad ora, era stato impossibile misurare il tempo del processo perché avviene molto più velocemente di quanto qualsiasi orologio possa misurare.

Ora Ferenc Krausz e i colleghi del Max Planck Institute for Quantum Optics di Garching, in Germania, hanno raggiunto lo scopo usando un abile trucco che ha eliminato il bisogno dell’orologio. I ricercatori hanno dato agli elettroni, in una nube di atomi di neon, tre finestre per uscire, in cui avrebbero potuto scavarsi la via, quindi hanno contato quanti avevano colto l’occasione per scappare.

Il team ha colpito una nube formata dagli atomi di neon con due brevi impulsi laser attentamente sincronizzati – un impulso utravioletto (1) e uno infrarosso (2). L’impulso 1 ha attivato gli elettroni, legati più fortemente agli atomi di neon, aumentando i loro livelli energetici in modo da farli arrivare alla periferia dell’atomo. Quindi tre picchi dell’oscillante impulso 2, hanno fornito u campo elettrico sufficientemente forte per sopprimere la barriera potenziale del nucleo, dando agli elettroni già preparati, tre finestre per scappare.

Sparando l’impulso 1 a tempi diversi durante il corso dell’impulso 2, e poi misurando il numero di elettroni liberati, il gruppo di Krausz’s ha potuto ricostruire la loro strategia di fuga. Circa il 30, 40 percento degli elettroni sono emersi durante i primi tre colpi, in linea con la teoria del quantum tunneling che risale agli anni Sessanta.

I risultati hanno dimostrato che un singolo elettrone potrebbe fuggire a metà onda di un laser a infrarosso, scomparendo in meno di 400 attosecondi – un arco di tempo inimmaginalmente breve. Se fosse possibile rallentare il tempo così da far durare un atto secondo, un intero secondo, quel secondo durerebbe 30 miliardo di anni – più di due volte l’età dell’universo.

“Questa misura è un passo molto importante verso l comprensione di come il tunneling accade veramente” ha detto Krausz al New Scientist. “I fisici stanno cercando di capire cosa sta succedendo nel mondo microscopico e anche senza un’applicazione immediata, è davvero gratificante conoscere un altro misterioso fenomeno.

Ma il ricercatore ha aggiunto che una migliore comprensione del tunneling potrebbe contribuire allo sviluppo dei laser compatti a raggi X nel quale il tunneling  elettronico sembra giocare un ruolo chiave. Gli attuali potenti laser a raggi X sono macchine ingombranti ospitati in edifici grandi come stadi da calcio. Uno compatto potrebbe essere usato negli ospedali per scoprire i tumori quando sono ancora molto piccoli e prontamente trattabili.  

“Uno dei nostri sogni è di essere capaci di costruire laser a raggi X realmente compatti” ha rivelato Krausz: “ potrebbero permettere di diagnosticare il cancro a uno stadio davvero precoce, cosa che rivoluzionerebbe decisamente questo settore”.

Journal reference: Nature (vol 446, p 627)

Hazel Muir