RICERCA ITALIANA     

Processi fisici nel dominio degli attosecondi

Politecnico di Milano

Abstract

L'obiettivo di questo progetto è lo sviluppo di metodi allo stato dell'arte per la generazione e l'applicazione di impulsi ad attosecondi e a femtosecondi nella regione spettrale dell'estremo ultravioletto (XUV). I temi principali dell'attività di ricerca sono i seguenti: (i) generazione e caratterizzazione di impulsi di alta potenza di picco con durate inferiori a 10 fs, con fase assoluta stabilizzata; (ii) generazione e misura di impulsi XUV ad attosecondi e a femtosecondi, prodotti mediante generazione di armoniche di ordine elevato in gas nobili; (iii) applicazione di impulsi XUV ad atto- e femtosecondi in esperimenti con risoluzione temporale estrema nel campo della fisica atomica e dello stato solido. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Mauro NISOLI Politecnico di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Scopo del progetto è lo sviluppo e l'applicazione di tecniche allo stato dell'arte per la generazione di impulsi ad attosecondi e a femtosecondi nella regione spettrale dell'ultravioletto estremo, mediante generazione di armoniche di ordine elevato in gas con impulsi ultrabrevi. Una tecnica molto efficace per la generazione di impulsi singoli ad attosecondi si basa sull'impiego di impulsi laser comprendenti pochi cicli ottici (durata inferiore a 10 fs). Tali impulsi possono essere ottenuti utilizzando la tecnica di compressione della fibra cava, sviluppata dall'unità di ricerca di Milano nel 1996. Tale tecnica si basa sull'allargamento spettrale di un impulso a femtosecondi in una fibra cava riempita di gas nobile, seguita da una compressione temporale in una opportuna linea dispersiva. Un parametro chiave, che caratterizza il campo elettrico di un impulso di luce da pochi cicli ottici e che influenza in modo significativo i processi di interazione materia-luce di alta intensità, è la fase della portante rispetto all'inviluppo dell'impulso (che nel seguito chiameremo "fase assoluta" dell'impulso). E' stato dimostrato che la generazione di impulsi singoli ad attosecondi richiede la stabilizzazione della fase assoluta degli impulsi di eccitazione. Sulla base di queste considerazioni, gli obiettivi specifici del progetto sono i seguenti:
1. Generazione di impulsi di durata inferiore a 10 fs, di alta potenza di picco, con fase assoluta stabilizzata;
2. Controllo ottimale dei processi nonlineari che portano alla generazione di armoniche di ordine elevato, per incrementare l'efficienza di generazione; l'obiettivo è la realizzazione di una sorgente "table-top" di radiazione XUV ad alta brillanza, che possa essere utilizzata per varie applicazioni, particolarmente nel campo della fisica atomica;
3. Misura di impulsi ad attosecondi con tecniche di cross-correlazione;
4. Applicazioni degli impulsi XUV ad atto- e femtosecondi nel campo della fisica atomica e dello stato solido.
Si pone in risalto il fatto che il progetto proposto rappresenta il primo progetto nazionale nel settore dell'attofisica in Italia. Esso si basa sulla stretta collaborazione fra gruppi di ricerca con diverse specializzazioni. Tutta l'attività sperimentale svolta nell'ambito del progetto sarà condotta nei laboratori del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano. Ciascun gruppo contribuirà al progetto come descritto nel seguito:
- Per l'interazione ad alta intensità luce-materia, il progetto si baserà sulla leadership acquisita dal gruppo di Milano nel settore della generazione di impulsi ultrabrevi con alta potenza di picco. Per la generazione e la caratterizzazione degli impulsi ad attosecondi il progetto utilizzerà il setup sperimentale per la generazione di armoniche di ordine elevato in funzione presso il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano;
- Per quanto riguarda la strumentazione per la diagnostica e l'ottimizzazione della radiazione XUV, il progetto si baserà sulla solida esperienza del gruppo di ricerca di Padova nel campo della spettroscopia VUV/XUV;
- Per quanto riguarda la strumentazione per la diagnostica degli elettroni, essenziale per la tecnica di cross-correlazione utilizzata per la caratterizzazione degli impulsi XUV (con durate fino alla regione degli attosecondi), il progetto si baserà sull'esperienza del gruppo di ricerca di Napoli nel settore della rivelazione di elettroni e ioni generati in processi di interazione radiazione-materia ad alta intensità ed in esperimenti di impatto elettronico;
- Per quanto riguarda l'indagine teorica dei processi di campo forte coinvolti nella generazione di impulsi ad attosecondi, e lo sviluppo di modelli numerici complessi, il progetto trarrà beneficio dalla notevole esperienza dei tre gruppi di ricerca in questo campo.
L'attivazione di questo progetto è giustificata anche dal notevole interesse scientifico e tecnologico dei temi proposti, come dimostrato dal sempre crescente interesse della comunità scientifica internazionale nel settore dell'attofisica. <<<

Risultati parziali attesi

Le milestones della Fase 1 sono le seguenti:
1. Stabilizzazione della fase assoluta di impulsi laser amplificati, con durata inferiore a 10 fs;
2. Progetto e realizzazione di un sistema ottico per l'ottimizzazione del processo di generazione della radiazione XUV, basato sull'impiego di specchi deformabili;
3. Progetto e realizzazione di una linea di ritardo per le misure di cross-correlazione.Le milestones della Fase 2 sono le seguenti:
1. Ottimizzazione di uno spettrometro a tempo di volo per la misura di spettri di fotoelettroni;
2. Misura di impulsi XUV ad attosecondi e femtosecondi;
3. Applicazione degli impulsi XUV in esperimenti di fisica atomica e dello stato solido;
4. Analisi teorica della risposta di singolo atomo del mezzo nonlineare. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il notevole sviluppo delle sorgenti di impulsi laser ultrabrevi ad elevata energia, iniziato negli anni '80 e non ancora concluso, ha rivoluzionato completamente lo studio delle dinamiche di processi fisici su scala molecolare e sub-molecolare, consentendo osservazioni con risoluzione temporale dell'ordine della decina di femtosecondi [1]. Con l'avvento di tecniche di compressione ottica [2], che consentono di raggiungere durate di impulso estremamente brevi (inferiori a 10 fs) e con elevata potenza di picco (dell'ordine di frazioni del TW) [3], la comunità scientifica internazionale ha incominciato ad occuparsi di processi di interazione radiazione-materia su scale temporali prossime al singolo ciclo ottico. Grazie alla elevata potenza di picco raggiunta dagli impulsi laser, questi processi possono essere studiati in regime di campo forte: l'intensità del campo elettrico costituente l'impulso laser è paragonabile a quella del campo coulombiano che lega gli elettroni più esterni al nucleo atomico. In regime di campo forte si osservano nuovi fenomeni, dotati di caratteristiche non interpretabili mediante modelli non-perturbativi classici; tipici esempi sono la generazione di armoniche di ordine elevato (HHG), ottenuta focalizzando un impulso laser in un mezzo gassoso [4], e la fotoionizzazione sopra-soglia (ATI) [5]. In questo nuovo regime, l'interazione radiazione-materia è guidata dall'evoluzione del campo elettrico dell'impulso laser anziché dal suo inviluppo di intensità [6]; in particolare lo sfasamento tra portante ottica ed inviluppo (CEO), detto anche "fase assoluta", gioca un ruolo essenziale poiché, a parità di forma temporale dell'inviluppo e di frequenza della portante, a differenti CEO corrispondono diverse evoluzioni del campo elettrico e quindi differenti effetti nell'interazione tra impulso ottico e materia. Questa dipendenza dalla fase assoluta è stata dimostrata sperimentalmente nella ionizzazione sopra-soglia di gas nobili [7-8] e nella generazione di armoniche di ordine elevato (HHG) [9-10], sia impiegando sorgenti con fase assoluta variabile casualmente, sia con sistemi laser amplificati a fase stabilizzata.
Nonostante i notevoli progressi sopra menzionati, le risoluzioni temporali oggigiorno raggiungibili nella maggioranza dei laboratori laser di livello internazionale non sono ancora sufficienti allo studio di processi fisici su scala atomica; è noto che un'ampia classe di dinamiche elettroniche si sviluppa sulla scala temporale degli attosecondi, come nel caso dell'evoluzione della funzione d'onda di elettroni legati, a seguito di una forte eccitazione (per ionizzazione o per creazione di una lacuna ad un livello di energia profondo). Sinora, in un ristretto numero di casi, si è raggiunta solo una comprensione indiretta del problema fisico; tuttavia un'esplorazione completa della dinamica di sistemi complessi richiede l'uso della spettroscopia risolta nel tempo. Tipici fenomeni atomici da investigare nel dominio temporale sarebbero i processi di fotoionizzazione [11-12] in cui gli elettroni emessi possono essere catturati dal loro ione parente per un breve lasso temporale, oppure l'effetto Auger in presenza di interazioni post-collisione [13]. Non è fuori luogo ricordare che anche lo studio di processi su scala molecolare o sub-molecolare (ad esempio le dinamiche di reazione o l'evoluzione di stati vibrazionali ad alta frequenza di risonanza) potrebbe beneficiare dell'uso di impulsi con durate inferiori al femtosecondo.
L'unico mezzo attualmente concepito per generare impulsi di durata inferiore al femtosecondo, consiste nell'impiego di sorgenti coerenti di radiazione, il cui comportamento temporale sia limitato per trasformata di Fourier, che emettano nel campo spettrale dell'estremo ultravioletto e dei raggi X molli (XUV e soft-X). Allo stato attuale una sorgente dalle promettenti qualità è la generazione di armoniche di ordine elevato; di fatto la produzione di impulsi XUV con durate di centinaia di attosecondi per mezzo di HHG è stata recentemente dimostrata [14]. Impulsi XUV ad attosecondi sono stati anche impiegati nella misura, risolta in tempo, dell'emissione di elettroni Auger da gas nobili [15], che consente di determinare per via indiretta il tempo di vita di lacune prodotte in livelli atomici profondi.
A causa della notevole sensibilità della HHG dalla fase assoluta, è necessario impiegare sorgenti laser stabilizzate in fase per rendere le misure basate su impulsi XUV affidabili e ripetibili [16]. In particolare, l'emissione di armoniche nella regione XUV si presenta molto spesso sotto forma di treni di impulsi ad attosecondi; le misure risolte in tempo richiedono tuttavia la generazione di un singolo impulso XUV. Solo mediante la selezione della corretta porzione spettrale dell'emissione e la scelta della opportuna fase assoluta dell'impulso laser impiegato, è possibile produrre un singolo impulso XUV ad attosecondi. La selezione spettrale della emissione di armoniche viene generalmente effettuata mediante opportuni filtri o specchi dielettrici [14-16]; modelli teorici e misure sperimentali hanno inoltre dimostrato che un singolo impulso XUV viene generato quando lo sfasamento fra portante ottica ed inviluppo dell'impulso laser impiegato nella HHG è nullo (portante di "tipo coseno") [16].
Sia la caratterizzazione della generazione di armoniche che lo sfruttamento della radiazione XUV richiedono una strumentazione di diagnostica e misura molto sofisticata. Per quanto riguarda la caratterizzazione ed ottimizzazione della emissione di armoniche, uno spettrometro XUV a banda larga e ad alta efficienza è di grande importanza, in quanto consente una misura simultanea di una estesa regione spettrale, e inoltre può essere deputato all'acquisizione della radiazione prodotta da ogni singolo impulso del laser. In questo modo è possibile evitare operazioni di media invece necessarie in caso di monocromatori o spettrometri a bassa efficienza. Inoltre, data la sua natura non lineare, la generazione di armoniche è estremamente sensibile alle caratteristiche spaziali e spettrali dell'impulso laser che le produce. E' stato dimostrato che un notevole incremento dell'intensità delle armoniche può essere ottenuto ottimizzando la fase spettrale dell'impulso laser [17-18]. Ma si è riscontrato come anche il fronte di fase del laser abbia una rilevante influenza nel processo di generazione [19]. Di conseguenza l'ottimizzazione dell'intero profilo della fase dell'impulso, sia nel dominio spaziale che spettrale, è un aspetto che un sistema per la generazione delle armoniche deve consentire.
Più delicato è l'aspetto relativo alla caratterizzazione degli impulsi XUV ottenuti per generazione di armoniche; difatti la debole sezione d'urto per processi non lineari, caratteristica di questa regione spettrale, ostacola l'impiego di tecniche di auto e cross-correlazione classiche, largamente impiegate nel visibile e vicino infrarosso. Per ovviare a ciò, sono state sviluppate tecniche basate sulla fotoionizzazione di atomi di gas nobile in presenza contemporaneamente dell'impulso XUV e di un intenso ed ultrabreve impulso nel visibile, detto impulso di gate [15]. Gli elettroni fotoemessi a causa della radiazione XUV subiscono un'accelerazione nel campo elettrico dell'impulso di gate e dunque una variazione di energia cinetica. L'energia che un elettrone acquisisce dipende dalla posizione dell'istante di emissione rispetto alla portante ottica dell'impulso di gate; pertanto il campo di gate effettua una conversione della distribuzione degli istanti di emissione elettronica in una distribuzione di energia. Da una analisi delle distribuzioni di energia in funzione del ritardo fra i due impulsi, è possibile risalire alla durata dell'impulso XUV.
Le stesse tecniche di caratterizzazione degli impulsi XUV possono essere adattate allo studio di quei fenomeni atomici in cui l'emissione di uno o più elettroni a seguito di eccitazione avviene su scale temporali molto veloci. Sia la misura di durata degli impulsi ad attosecondi che il loro diretto impiego richiedono dunque una diagnostica dello spettro energetico degli elettroni provenienti dalla regione di interazione; tale strumentazione deve essere dotata di ottima risoluzione spettrale (almeno pari alla metà dell'energia del fotone del campo laser, che si aggira attorno a 1.6 eV per il Ti:Zaffiro). <<<