Gérard Mourou, Premio Nobel per la Fisica 2018, al Politecnico di Milano

“Una passione per la luce estrema, per il maggiore beneficio della specie umana” è il titolo della lezione tenuta dal Prof. Gérard Moreau, Premio Nobel per la Fisica 2018, lo scorso 10 gennaio al Politecnico di Milano.

Il Prof. Gérard Mourou ha scelto il Politecnico di Milano quale luogo ideale per la sua prima conferenza dopo la cerimonia in cui gli è stato assegnato il Premio Nobel per la Fisica, svoltasi a Stoccolma lo scorso 10 dicembre. Un luogo in cui condividere il proprio lavoro con quello del Gruppo del Prof. Orazio Svelto, Professore emerito di Fisica presso il Politecnico di Milano, e dove illustrare a una nutrita platea di studenti le motivazioni e le possibili applicazioni della propria rivoluzionaria ricerca nel campo della fisica dei laser.

di Antonio Vendramini

Il 10 gennaio 2019 il Prof. Gérard Mourou, premio Nobel per la Fisica 2018, ha tenuto la sua prima conferenza, dopo l’assegnazione del Premio a Stoccolma, nell’Aula Rogers del Politecnico di Milano (www.polimi.it). Aula strapiena, con oltre 300 studenti e oltre 60 personalità invitate, senza tener conto delle altre due aule collegate in videoconferenza, per un totale di circa 600 partecipanti. Sicuramente è stata questa una seconda indicazione del fatto che le ricerche del Prof. Mourou sono state basate e condotte su precedenti lavori intrapresi dal Gruppo del Prof. Orazio Svelto, Professore emerito di Fisica presso il Politecnico di Milano – ndr: la prima conferma di quanto affermato è risultata evidente nell’invito, fatto al docente del Politecnico di Milano, di presenziare il giorno 10 dicembre 2018, a Stoccolma, alla cerimonia di consegna del Premio Nobel –.

Ricordiamo che il Premio è stato assegnato al Professore francese Gérard Mourou – ora professore presso l’Ecole Politecnique di Parigi – con la seguente generale motivazione: “for ground breaking inventions in the field of laser physics” (per invenzioni rivoluzionarie nel campo della fisica dei laser). Specificatamente, il premio gli è stato assegnato per un’attività di ricerca per la generazione di impulsi di alta intensità e ultracorti, basata sulla così detta “Chirped Pulse Amplification” o tecnica CPA, amplificazione di impulsi modulati in frequenza.

 

Il Prof. Gérard Moreau nel corso della conferenza al Politecnico di Milano. Da sinistra, al tavolo dei lavori: il Prof. O. Svelto, il Prof.G. Mourou, il Prof. F. Resta, Rettore del Politecnico di Milano, e il Prof. F. Ciccacci, Direttore del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano.

UN RISULTATO FRUTTO DI UN LAVORO CONGIUNTO

Il Prof. Mourou ha replicato al Politecnico di Milano la relazione fatta a Stoccolma nel corso della premiazione, titolata “Una passione per la luce estrema per il maggiore beneficio della specie umana” (Alfred Nobel), con riferimento alle condizioni estreme di alta intensità e ridotta durata temporale, i cosiddetti “impulsi ai femtosecondi” (1 fs = 10-15 s). Gérard Mourou ha subito confermato la propria riconoscenza verso le attività svolte dal Politecnico di Milano: “Nonostante gli oltre 150 inviti che ho ricevuto da tutte le parti del mondo, ho deciso di tenere la mia prima conferenza post premio presso il Politecnico di Milano, come riconoscimento per il lavoro svolto da questo Gruppo nel campo della fisica dei laser in tutti questi anni. Il premio che ho ricevuto lo voglio condividere con tutti i fisici specializzati nel campo del laser a impulsi ultrabreve e ultraintensi e, tra questi, quelli del Politecnico di Milano sono in prima fila”.

Al termine dei lavori, in qualità di giornalista e operatore del comparto, ho chiesto il parere a una studentessa liceale che ho voluto far partecipe della conferenza: la risposta? “Eccezionale, il mio campo di lavoro sarà sicuramente la fisica”. Al sottoscritto, più semplicemente e con maggiore attenzione verso i “precursori”, è invece venuto in mente un detto di Einstein, più volte sentito citare dal Prof. Svelto: “…tutti sanno che una cosa è irrealizzabile finché non arriva uno sprovveduto che non lo sa e la inventa…”. In realtà, Mourou non è certamente uno sprovveduto: basti dire che opera in questo campo dal 1967, pochi anni dopo la scoperta del laser. È nostro avviso che questa avrebbe potuto essere la presentazione e, al tempo stesso, la conclusione della conferenza.

Il Prof. Gérard Mourou, Premio Nobel per la Fisica 2018, con il Prof. Orazio Svelto, Professore Emerito di Fisica presso il Politecnico di Milano, tra il Rettore Prof. Resta e il Direttore del Dipartimento Prof. Ciccacci.

“IL MEGLIO DEVE ANCORA ARRIVARE”

Come illustrato dal Prof. Mourou, la “Chirped pulse amplification” (CPA) consiste nel prendere un impulso laser con durata di qualche decina di femtosecondi, dilatarlo nel tempo, con tecniche ottiche tradizionali, come un reticolo di diffrazione, amplificarlo, e poi comprimerlo di nuovo, con le stesse tecniche precedentemente impiegate per allungarlo, fino a ricavare un impulso di luce con densità di potenza estremamente elevata, anche 1023 W/cm2, e con durata molto breve, qualche decina di femtosecondi o meno, verso gli attosecondi (1 as = 10-18 s). Questi impulsi consentono un gran numero di applicazioni, molte delle quali sono ancora solo abbozzate, tanto che il Prof. Mourou ha concluso la sua presentazione con la diapositiva in cui campeggiava la sola frase “The best is yet to come!” (Il meglio deve ancora arrivare!), una frase eccitante per le oltre 600 persone presenti alla conferenza.

La tecnica laser CPA di Mourou per generare impulsi laser ultracorti e di grande intensità.

Tra le applicazioni che il prof. Mourou ha citato nella conferenza (pur dichiarando che quello applicativo non è il suo campo, come per tutti gli innovatori) siamo passati dalle ormai semplici attività nella chirurgia dell’occhio, in cui questi fasci ai femtosecondi riescono a ritagliare strati di cornea per risolvere, ad esempio, problemi visivi, come la cataratta, la miopia o l’astigmatismo, alla “proton therapy”, per la cura dei tumori, in cui, al posto di impiegare costosi e ingombranti sincrotroni per generare queste particelle, vengono impiegate queste sorgenti ad alta intensità e con impulsi ultrabrevi, fino all’annoso problema dell’eliminazione dei rifiuti nucleari: facendo interagire questi componenti, che hanno tempi di decadimento di molte migliaia di anni, con questi fasci ad alta intensità, si ottengono infatti isotopi che decadono in pochi secondi. La conclusione del Prof. Mourou: “Sino ad ora si è fatta ricerca in cucina per preparare primizie; nel futuro sarà necessaria farla nelle toilette, per liberarci dei rifiuti”.

 

Evoluzione temporale delle intensità di picco degli impulsi laser ultrabrevi.

A DOMANDA RISPOSTA

Al termine della lunga conferenza, un ampio spazio è stato riservato agli interventi da parte degli studenti presenti nella sala principale: ne riportiamo alcuni.

Perché si è occupato di queste ricerche? Cosa l’attraeva? Ho iniziato a occuparmi di ricerche nel campo laser nel 1967. Ero affascinato da queste nuove sorgenti di luce, cioè dai laser. A differenza delle comuni lampade, si trattava, infatti, per la prima volta, di avere disponibili sorgenti coerenti, cioè direzionali, di un solo colore e con elevatissima brillanza. Da un punto di vista applicativo, ero anche affascinato dal fatto che non erano ancora chiaramente note quali potessero essere le reali applicazioni del laser. A quel tempo, infatti, il laser era anche chiamato “una brillante soluzione in cerca di un problema”.

Quali sono attualmente le applicazioni più importanti del laser? Il laser trova applicazioni molto importanti in svariati settori della scienza e della tecnologia. In particolare, vorrei citare: le applicazioni nel campo delle comunicazioni su fibra ottica, per realizzare quello che viene comunemente chiamato Internet a larga banda; le applicazioni nel campo delle lavorazioni meccaniche, dove il laser è molto utilizzato per tagliare, saldare e trattare termicamente, con estrema precisione, materiali metallici e non; le applicazioni in campo biomedicale, in particolare nel settore dell’oculistica e della dermatologia. In campo scientifico, poi, il laser trova ampia applicazioni in settori quali la Fisica, la Chimica e la Biologia.

Come le è venuta in mente l’idea di realizzare impulsi ottici ultraintensi e ultrabrevi? La relativa tecnica, nota in letteratura coma Chirped Pulse Amplification (CPA), consiste nell’allungare un impulso ultrabreve di un fattore fino a 100.000, amplificarlo quindi di circa lo stesso fattore, senza distruggere l’amplificatore, e ricomprimerlo alla sua durata iniziale. L’idea inziale derivava dalla difficoltà da me sperimentata nell’amplificare i laser che allora avevo a disposizione presso l’Università di Rochester, negli USA. L’idea particolare di allungare l’impulso e quindi di comprimerlo in maniera efficiente mi è poi venuta mentre sciavo durante le vacanze natalizie in un ambiente rilassante e stimolante.

Esempio di disattivazione dei rifiuti radioattivi con impulsi laser ultrabrevi ad alta intensità.

Qual è l’applicazione attualmente più importante della sua invenzione? Senza dubbio si tratta dell’applicazione nel campo dell’oculistica per la correzione dei difetti visivi (miopia e astigmatismo). Mediante la così detta tecnica LASIK, assistita da impulsi a femtosecondi, e la sua evoluzione chiamata SMILE, è possibile, infatti, utilizzare impulsi ultrabrevi e intensi per sagomare la cornea creandovi una lente negativa. Così facendo, è possibile operare in maniera molto precisa, minimizzando i danni ai tessuti circostanti. Attualmente, con queste tecniche sono state operate, in campo mondiale, circa 25 milioni di persone.

In prospettiva, quali applicazioni lei vede di maggior impatto dalla sua invenzione? La prima applicazione molto importante riguarda l’accelerazione di particelle cariche – elettroni e protoni – in plasmi prodotti da laser ultrabrevi e particolarmente ultraintensi. Infatti, con questi acceleratori è già possibile accelerare particelle cariche a energie sufficienti per una terapia tumorale, la così detta adroterapia. Questi acceleratori promettono di essere realizzati con dimensioni molto inferiori a quelle degli attuali acceleratori, funzionanti a radiofrequenza. Tuttavia, molto lavoro deve essere ancora fatto per realizzare laser con caratteristiche adatte per l’applicazione in esame. Sono inoltre molto affascinato dalla possibilità di utilizzare impulsi ultrabrevi, ma ancora più intensi, per applicazioni nel campo della Fisica Nucleare. Al riguardo, particolarmente interessante appare la possibilità del trattamento, attualmente molto difficile, dei rifiuti radioattivi. ©TECNeLaB

La conclusione della conferenza del Premio Nobel per la Fisica 2018 Prof. Gérard Mourou al Politecnico di Milano: “Il meglio deve ancora arrivare”.

 

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