Fisica quantistica: eccezionale misurazione delle “oscillazioni di Rabi” grazie al laser FERMI

L’andamento periodico con cui gli elettroni degli atomi scambiano energia con la radiazione laser è noto da quando la teoria è stata presentata per la prima volta nel 1955 da Autler e Townes. Il fenomeno, denominato “oscillazioni di Rabi”, è stato da allora sperimentalmente osservato nei più diversi ambiti della fisica, tuttavia solo per le radiazioni a lunga lunghezza d’onda e questa è tuttora un’osservazione chiave nella comprensione dell’interazione radiazione-materia.

Oggi una nuova ricerca condotta da un pool di ricercatori di varie nazionalità e istituti ha permesso di osservare la manifestazione di tali oscillazioni su una scala dieci volte più piccola rispetto al passato. I risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Nature.

L’articolo uscito il 17 agosto che vede Saikat Nandi dell’Istituto Lumiere Matiere di Lione come primo autore, ha coinvolto 29 ricercatori provenienti da Italia, Francia, Svezia e Germania. Gli impulsi laser ad alta intensità necessari per l’esperimento sono stati generati dal laser a elettroni liberi FERMI a Trieste, presso il centro di ricerca Elettra Sincrotrone Trieste.

L’oscillazione coordinata di elettrone e radiazione laser può essere paragonata a un bambino che salta la corda. Quando il bambino è in aria, l’elettrone si trova in un cosiddetto stato eccitato, mentre quando il bambino è a terra, l’elettrone si trova nello stato fondamentale (in inglese, “ground state”, dove “ground” vale letteralmente “suolo”). L’energia del campo laser oscilla, proprio come una corda da salto, e costringe l’elettrone a “saltare”.

“La novità sperimentale è che le oscillazioni di Rabi sono state misurate a lunghezze d’onda dieci volte inferiori rispetto a quanto mai raggiunto prima, e questo è stato possibile grazie alla luce ultra brillante di FERMI, ad oggi l’unica sorgente al mondo a possedere la purezza spettrale richiesta.” dice Carlo Callegari, capo della stazione sperimentale “Low Density Matter” dove si sono svolte le misure.

FERMI è il Free-Electron Laser gestito da Elettra Sincrotrone Trieste, un laser estremamente innovativo costituito da una struttura sotterranea di 350 metri e basato su un acceleratore lineare di elettroni, operativo per gli utenti dal 2012: è un’eccellenza unica del territorio in cui opera e per l’Italia, e compete a livello globale con tutti i paesi che oggi investono per essere all’avanguardia nella ricerca scientifica nei più svariati campi della scienza.

All’esperimento, che è stato possibile condurre proprio grazie alle caratteristiche uniche di FERMI, il team di ricercatori italiani ha contribuito con la messa a punto della macchina, della stazione sperimentale, e con la raccolta dei dati. I risultati ottenuti aprono la strada a misure simili praticamente su tutti gli atomi e le molecole.

In questi giorni, dal 22 al 26 agosto, è in corso al TCC Trieste Convention Center la Conferenza internazionale FEL2022, la quarantesima edizione della Conferenza internazionale dedicata al laser ad elettroni liberi (FEL è acronimo di Free-Electron laser), ovvero il congresso annuale dei massimi esperti di questi laser che rappresentano una delle espressioni più avanzata della tecnologia delle sorgenti di luce.

La conferenza, che l’anno scorso è stata rimandata a causa della pandemia, quest’anno festeggia la quarantesima edizione e l’arrivo di circa 300 partecipanti tra ricercatori e aziende collegate, provenienti da tutto il mondo. Organizzata e promossa da Elettra Sincrotrone Trieste, alla cui guida è stato saldamente in questi importanti anni di sviluppo il prof. Alfonso Franciosi, Presidente e Amministratore Delegato, la conferenza prevede oltre a giornate intense di confronto scientifico, anche che 150 dei migliori scienziati che lavorano in altri istituti analoghi visitino FERMI per coglierne le specificità tecniche e le innovazioni che la rendono unica in termini di purezza della luce prodotta.

Trieste e il suo sistema si confermano ancora una volta sul tetto del mondo per quanto riguarda la ricerca scientifica, il numero di progetti e pubblicazioni nonché per la capacità di attrarre i migliori cervelli del futuro.