Due fisici del RIKEN hanno realizzato impulsi laser estremamente brevi con una potenza di picco di 6 terawatt (6 trilioni di watt), più o meno equivalenti alla potenza generata da 6,000 centrali nucleari. Il risultato, che contribuirà all’ulteriore sviluppo dei laser ad attosecondi, è valso ai tre ricercatori il Premio Nobel per la fisica 2023. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Photonics.
Proprio come il flash di una fotocamera può “congelare” oggetti in rapido movimento per farli apparire come se fossero fermi in una fotografia, impulsi laser molto brevi possono aiutare a illuminare i processi ultraveloci, offrendo agli scienziati un potente modo per immaginarli e rilevarli.
Ad esempio, gli impulsi laser dell'ordine degli attosecondi (1 attosecondo=10-18 secondi) sono così brevi che possono rivelare il movimento degli elettroni negli atomi e nelle molecole, fornendo un nuovo modo per scoprire l'evoluzione delle reazioni chimiche e biochimiche. Persino la luce sembra essere in grado di strisciare su scale temporali così brevi, impiegando circa 3 arsec per attraversare un nanometro.
"Catturando il movimento degli elettroni, i laser ad attosecondi danno un contributo significativo alla scienza di base", ha affermato Eiji Takahashi del Centro per la fotonica avanzata (RAP) del RIKEN, "e si prevede che avranno applicazioni in un'ampia gamma di campi, inclusa l'osservazione delle cellule biologiche, lo sviluppo di nuovi materiali e la diagnosi di condizioni mediche."
Più d'impatto
Tuttavia, sebbene sia possibile creare impulsi laser ultracorti, questi non hanno impatto e hanno una bassa energia. La creazione di impulsi laser ultracorti e ad alta energia amplierebbe notevolmente i loro possibili usi, afferma Eiji Takahashi: "L'energia di uscita attuale dei laser ad attosecondi è estremamente bassa. Pertanto, aumentare la loro energia di uscita è cruciale se devono essere usati come sorgenti luminose in un vasta gamma di campi."
Proprio come gli amplificatori audio vengono utilizzati per migliorare i segnali sonori, i fisici dei laser utilizzano amplificatori ottici per aumentare l'energia degli impulsi laser. Questi amplificatori utilizzano tipicamente cristalli non lineari che rispondono specificamente alla luce. Tuttavia, se questi cristalli vengono utilizzati per amplificare gli impulsi laser a ciclo singolo, possono danneggiarsi irreparabilmente. Gli impulsi laser a ciclo singolo sono così brevi che l'impulso termina prima che la luce abbia oscillato attraverso un ciclo completo di lunghezza d'onda.
Il più grande collo di bottiglia nello sviluppo di sorgenti laser a infrarossi ultraveloci e ad alta energia è la mancanza di un metodo efficace per amplificare direttamente gli impulsi laser a ciclo singolo," ha affermato Eiji Takahashi. Questo collo di bottiglia si traduce in una barriera di 1-millijoule per singolo -ciclo dell'energia dell'impulso laser."
Stabilire un nuovo record
Tuttavia, questo collo di bottiglia è stato ora superato. Hanno amplificato gli impulsi a ciclo singolo fino a oltre 50 millijoule, più di 50 volte il miglior risultato precedente. Poiché gli impulsi laser risultanti sono così brevi, questa energia si traduce in una potenza incredibilmente elevata di pochi terawatt.
Takahashi ha affermato: "Abbiamo dimostrato come superare il collo di bottiglia stabilendo un metodo efficiente per amplificare gli impulsi laser a ciclo singolo".
Il loro metodo, chiamato amplificazione parametrica ottica avanzata a doppia vibrazione (DC-OPA), è molto semplice e coinvolge solo due cristalli che amplificano regioni complementari dello spettro.
Takahashi ha affermato: "Il DC-OPA avanzato per l'amplificazione degli impulsi laser a ciclo singolo è così semplice che si basa semplicemente sulla combinazione di due cristalli non lineari: sembra un'idea che chiunque potrebbe inventare. Mi stupisce che un concetto così semplice offra una nuova tecnica di amplificazione e una svolta nello sviluppo di laser ultraveloci ad alta energia."
È importante sottolineare che l’avanzato DC-OPA opera su una gamma molto ampia di lunghezze d’onda. Il team è stato in grado di amplificare gli impulsi con una differenza di lunghezza d'onda superiore al doppio della lunghezza d'onda. Takahashi ha affermato: "Questo nuovo metodo ha la caratteristica rivoluzionaria che la larghezza di banda di amplificazione consente un'uscita di frequenza ultra ampia senza influenzare le caratteristiche di ridimensionamento dell'energia di uscita".
Nuova tecnica di amplificazione
La loro tecnica è una variante di un'altra tecnica di amplificazione degli impulsi ottici chiamata "amplificazione degli impulsi chirped", per la quale tre ricercatori provenienti da Stati Uniti, Francia e Canada hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2018. I laser sono una delle tecnologie che guidano lo sviluppo dei laser.
Takahashi prevede che la loro tecnologia farà avanzare ulteriormente lo sviluppo dei laser ad attosecondi: "Abbiamo sviluppato con successo un nuovo metodo di amplificazione laser che può aumentare l'intensità degli impulsi laser a ciclo singolo fino alla potenza di picco di terawatt", ha affermato, "e non vi sono dubbi che questo è un grande passo avanti nello sviluppo di laser ad attosecondi ad alta potenza."
A lungo termine, il suo obiettivo è andare oltre il laser ad attosecondi e creare impulsi ancora più brevi.
