Un attosecondo. Un miliardesimo di miliardesimo di secondo. L’infinitamente piccolo in termini di tempo, e l’infinitamente grande in termini di energia, potenza, precisione della luce laser. Sono i parametri con cui lavora il fisico francese Gerard Mourou, professore all’École Polytechnique di Palaiseau e all’Università del Michigan, che ha però dovuto poi attendere oltre 30 anni perché l’importanza dei suoi risultati scientifici gli venisse riconosciuta con il premio Nobel 2018 per la Fisica, che gli è stato conferito lo scorso 10 dicembre a Stoccolma.
Tempi necessariamente lunghi, quelli per passare da nuovi e straordinari risultati in laboratorio all’Olimpo della Fisica mondiale, dato che l’Accademia svedese, la Royal Swedish Academy of Sciences, attende che questi traguardi abbiano anche effetti diretti e concreti in termini di benefici per l’intera Umanità.
Era il 1985, infatti, quando lo scienziato nato ad Albertville nel 1944, insieme alla collega canadese Donna Strickland, insignita del Nobel insieme a lui, realizzavano i loro importanti esperimenti e studi nel campo della fisica dei laser, e dei laser ultra-brevi e ultra-intensi, che hanno aperto la strada agli impulsi laser più potenti mai prodotti nella storia della Scienza, e a una moltitudine di applicazioni scientifiche, medicali e tecnologiche.
Ai nostri giorni, per fare solo un esempio, in un anno 25 milioni di persone nel mondo si sottopongono a interventi chirurgici di precisione alla cornea e per ridurre la miopia, con tecniche laser rese possibili e sviluppate grazie al lavoro e alle scoperte dei due scienziati.
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La Lectio magistralis al Politecnico milanese
E ieri Mourou al Politecnico di Milano ha tenuto la sua prima Lectio magistralis da premio Nobel, che ha intitolato “Una passione per la luce estrema”, nonostante gli oltre 150 inviti che, da quel giorno di dicembre, gli sono piovuti addosso dalle Università di tutto il mondo.
“La scelta di tenere la mia prima conferenza accademica dopo il Nobel qui a Milano è anche un riconoscimento al lavoro fatto dal Politecnico in tutti questi anni nel campo della fisica laser”, rimarca Mourou; “il premio che ho avuto l’onore di ricevere, del resto, lo voglio idealmente condividere con tutta la famiglia, internazionale, dei fisici specializzati nel campo dei laser ad alta intensità. E questo di Milano è un centro di eccellenza a livello internazionale”. Un gradito ritorno, visto che era già stato in visita all’ateneo milanese per diversi mesi nel 2004: “conosco il professor Orazio Svelto da 40 anni, e il suo gruppo qui al Politecnico è tra i migliori in Europa e al mondo nel nostro campo”.
Ma agli studenti del Politecnico, accorsi numerosi a riempire l’aula dove lo scienziato ha parlato del proprio percorso e dei suoi risultati, ha precisato con una battuta: “non si fa ricerca scientifica puntando al premio Nobel, anche perché si potrebbe rimanere molto delusi. Si fa ricerca per passione, per la gioia di farla, nel cercare di portare il proprio contributo all’evoluzione scientifica mondiale. E, in ultima istanza, a un miglioramento concreto per le persone e per il futuro”.
I laser del futuro, con impulsi ultra-brevi e ultra-intensi – ha spiegato Mourou –, permetteranno anche di ricreare un universo ‘tascabile’ per studiare in laboratorio quello che accade nelle stelle e nei buchi neri, arrivando perfino a ‘popolare’ il vuoto. Con le loro super energie, questi laser ad alta intensità consentiranno di realizzare acceleratori di particelle molto più piccoli rispetto a quelli attuali, concentrando la potenza dell’acceleratore del Cern di Ginevra, lungo 27 chilometri, nello spazio di un campo da calcio, con applicazioni utili all’ambiente e alla medicina.
Avremo nuove applicazioni in medicina, astrofisica, fisica nucleare, nelle comunicazioni e non solo. Il campo è molto vasto perché ora possiamo amplificare gli impulsi a elevatissime intensità, producendo così le più alte pressioni, le più alte temperature, i più elevati campi di accelerazione, sempre in spazi molto limitati.
La tecnica laser Cpa di Mourou
Tutto ciò è possibile anche grazie alla tecnica di amplificazione degli impulsi laser Cpa (Chirped pulse amplification) che, grazie alla generazione di impulsi ultra-brevi e ad alta intensità, ha permesso di rendere il laser ancora più versatile e di esplorare dinamiche della fisica prima ignote. La tecnica che Mourou ha messo a punto negli Anni ’80 insieme alla collega Strickland: “l’ho conosciuta e ho lavorato con lei che era una giovane ricercatrice da poco laureata, e l’ho ritrovata a Stoccolma trent’anni dopo”, scherza Mourou.
Semplificando molto, un raggio laser viene prodotto attraverso una catena di eventi, nella quale i fotoni (le particelle di luce) producono altri fotoni, che possono poi essere emessi con vari impulsi, la cui intensità può essere regolata. A metà anni Ottanta si pensava di avere raggiunto il limite, perché non c’era possibilità di amplificare l’intensità senza evitare che lo stesso materiale utilizzato per farlo venisse distrutto.
Laser ultra brevi, precisi e potenti
La Chirped pulse amplification consiste, in particolare, nel prendere un raggio laser, dilatarlo nel tempo, amplificarlo e poi comprimerlo di nuovo per far sì che incorpori più luce in una piccola porzione di spazio, e che l’intensità di quell’impulso cresca esponenzialmente. Il sistema di compressione dell’onda è ciò che aumenta l’intensità dell’impulso luminoso.
I laser ultra precisi così creati rendono possibile, ad esempio, tagliare o eseguire piccolissimi fori persino nei tessuti del corpo umano, senza danneggiare le parti che attraversano, e andando a focalizzarsi sul microscopico punto preciso su cui intervenire. Proprio come nel caso delle operazioni chirurgiche al laser su cornea e retina.
La Cpa può inoltre essere impiegata per creare gli Stent, le minuscole retine che rinforzano i vasi sanguigni indeboliti e molti altri condotti del nostro organismo, o anche per migliorare i sistemi di archiviazione dei dati, o realizzare sistemi velocissimi di cattura delle immagini.
“Nello studio del microscopico, i laser di questo tipo sono utilizzati anche per vedere al rallentatore processi che avvengono in pochi istanti, come i cambiamenti a livello molecolare”, spiega Roberta Ramponi, direttore dell’Ifn (Istituto di Fotonica e Nanotecnologie) – Cnr presso il Politecnico di Milano; “ultimamente, per studiare gli elettroni si stanno sperimentando impulsi laser con una durata di un centesimo di attosecondo, considerando che un attosecondo equivale a un miliardesimo di miliardesimo di secondo. Con effetti e sviluppi tutti ancora da scoprire: gli elettroni sono al centro dei processi chimici, e molte delle loro caratteristiche restano da approfondire. In futuro potremmo imparare non solo a osservarli, ma anche a controllarli”.
Oggi il Nobel francese sarà anche ospite di Quanta System, azienda italiana con sede a Samarate, in provincia di Varese, controllata da El.En., Gruppo quotato a Piazza Affari e affermato a livello mondiale nella ricerca e produzione di tecnologie laser per la chirurgia, la medicina estetica e la conservazione di beni artistici. L’incontro non avviene per caso: le intuizioni di Mourou hanno, infatti, ispirato Quanta System per lo sviluppo di una sofisticatissima tecnologia ai picosecondi impiegata al Cern di Ginevra.
Ma, come ha affermato Mourou a Stoccolma, e ribadito ieri al Politecnico di Milano, “il meglio deve ancora venire”.
