Nobel per la Fisica 2018 ai pionieri dei laser

ATTUALITÀ – Dopo il premio Nobel 2018 per la medicina, è stato conferito anche quello per la fisica. Ha inventato strumenti di luce da utilizzare non solo in ambito fisico o chimico, ma anche per la biologia e la medicina. Pinzette laser in grado di afferrare singoli atomi, molecole, proteine e cellule viventi per studiarle senza danneggiarle. Questo il lavoro di Arthur Ashkin. Gérard Mourou e Donna Strickland invece hanno dedicato le loro ricerche allo sviluppo degli impulsi laser più brevi e potenti della storia dell’umanità.

Pinzette ottiche con “dita” a fasci laser

Ashkin è nato a New York il 2 settembre 1922, ha studiato alla Columbia University e ha lavorato per la Cornell University. Lo scienziato ha passato gran parte della sua carriera scientifica nei Bell Telephone Laboratories di Murray Hill, dove ha realizzato uno dei più vecchi sogni della fantascienza: utilizzare la pressione di radiazione della luce per muovere oggetti fisici, proprio come il raggio trattore nella serie televisiva Star Trek. Un risultato raggiunto dal fisico nel 1987 nei Bell Labs con le sue pinzette ottiche in grado di afferrare particelle, atomi e molecole con delle “dita” fatte di fasci laser.

L’interesse di Ashkin per i laser iniziò subito dopo l’invenzione del primo negli anni Sessanta. Nei laser le onde luminose si muovono in modo coerente, al contrario dei fasci di luce dove tutte le lunghezze d’onda sono mischiate e si diffondono in ogni direzione. Il premio Nobel 2018 comprese che i laser erano lo strumento perfetto per spostare piccoli oggetti e così iniziò i suoi esperimenti, illuminando delle sfere trasparenti dell’ordine di grandezza del micrometro e facendole muovere.

Il fisico rimase però sorpreso nello scoprire che le piccole particelle venivano attirate verso il centro del fascio laser quando l’intensità aumentava. Questo perché, qualsiasi sia la forma del laser, la pressione di radiazione diminuisce dal centro del fascio spostandosi verso l’esterno. Ashkin sfruttò questo effetto del laser aggiungendo una lente per focalizzarne la luce e creare una trappola luminosa, ribattezzata appunto pinzetta ottica.

Dopo anni di studi e perfezionamento, nel 1986 il team di ricercatori guidato dal fisico riuscì per la prima volta a intrappolare un atomo e si aprì una nuova frontiera di studi nel campo dei sistemi biologici: per cercare di catturare una particella così piccola, utilizzò campioni di piccoli virus. Una sera lo scienziato dimenticò i campioni aperti e il giorno seguente vi trovò dentro delle grosse particelle: si trattava di batteri che, una volta arrivati vicini al laser, venivano intrappolati. Il fascio però era troppo potente per i batteri, che morirono. Adeguando l’intensità del fascio, settandolo nella lunghezza d’onda dell’infrarosso, intrappolò anche i batteri senza danneggiarli. Anzi, erano in grado di sopravvivere e di riprodursi nella trappola luminosa.

Da allora gli studi del premio Nobel hanno permesso di osservare, esaminare e manipolare batteri, virus e altre cellule viventi senza però danneggiarle, permettendo così lo studio dei meccanismi della vita.

Impulsi brevi e potenti per Mourou e Strickland

Mourou, nato nel 1944 in Francia, ha insegnato all’ École polytechnique prima di spostarsi negli stati Uniti, dove è stato tra i fondatori del Centro di Scienza Ottica ultraveloce (Cuos) dell’Università del Michigan. Donna Strickland invece è nata a Guelph, in Canada, nel 1959 e si è laureata alla McMaster University prima di proseguire gli studi all’Università di Rochester e insegnare all’Università di Waterloo. I due scienziati hanno messo a punto una tecnica che ha permesso di generare gli impulsi laser più brevi e potenti mai creati dall’umanità, spiegata in un articolo del 1985 proprio come lavoro di tesi di dottorato della Strickland e sua prima pubblicazione scientifica.

La luce laser viene generata attraverso una catena di reazioni in cui i fotoni, le particelle della luce, generano altri fotoni che possono essere emessi sotto forma di impulsi. Per farlo è necessario utilizzare un materiale amplificatore, ma arrivati alla metà degli anni Ottanta gli scienziati avevano raggiunto il massimo dell’intensità possibile. Come superare questo limite? Con la nuova tecnica chiamata CPA, o chirped pulse amplification, messa a punto dai due premi Nobel.

Si tratta di una tecnica definita allo stesso tempo semplice ed elegante. Il breve impulso laser viene allungato nel tempo, amplificato e poi di nuovo schiacciato. Quando un impulso viene allungato il suo picco di potenza si abbassa, garantendone l’amplificazione senza che l’amplificatore venga danneggiato, mentre comprimendolo nuovamente si ottiene un aumento drastico della sua intensità.

Una tecnica che nella sua semplicità ha rivoluzionato la storia della fisica dei laser, diventando non solo lo standard per i dispositivi laser ad alta intensità ma trovando applicazioni pratiche non solo nella fisica, ma anche nella chimica, nella medicina e nella biologia. Una delle prime applicazioni di questi impulsi della durata di appena un milione di miliardi di secondo, cioè della durata del femtosecondo, è stato quello di osservare cosa accade tra molecole e attimi istantaneamente.

Questa tecnologia può essere utilizzata per l’archiviazione dei dati in informatica o ancora per realizzare gli stent chirurgici in medicina, i cilindri dalle dimensioni del micrometro che vengono impiegati nella riparazione dei vasi sanguigni.

Strumenti fatti di luce

La Royal Swedish Academy of Sciences ha così deciso di assegnare il premio Nobel per la Fisica 2018 gli “strumenti fatti di luce”. La tecnologia laser in appena 60 anni ha fatto passi da gigante e trova applicazioni in innumerevoli quanto differenziate aree di ricerca. A oggi infatti si è passati dal limite di brevi impulsi nell’ordine dei femtosecondi a generare impulsi laser dell’ordine di centinaia di attosecondi, cioè di miliardesimi di miliardesimo di secondi, per lasciare il mondo degli atomi e indagare e controllare quello degli elettroni.

Migliori celle solari, nuove sorgenti di energia, nuovi farmaci e ancora tecniche mediche, come le operazioni laser per la correzione della vista. I laser trovano applicazione in ogni campo scientifico e aprono ogni giorno nuove sfide, come quella di arrivare a ottenere impulsi che apriranno la strada non solo alle applicazioni della meccanica quantistica, ma anche a nuove terapie contro il cancro con la produzione di intensi fasci di protoni in grado di sradicare e distruggere le sole cellule tumorali nell’organismo.

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