Il movimento degli elettroni all'interno di una molecola è così veloce che impiegano solo pochi attosecondi per passare da un atomo all'altro. Quindi misurare tali processi ultraveloci è un compito arduo.
Ora è possibile misurare i ritardi temporali con una risoluzione pari allo zeptosecondo (un trilionesimo di miliardesimo di secondo), grazie a una nuova tecnica sviluppata dagli scienziati dell’Australian Attosecond Science Facility e del Centre for Quantum Dynamics of Griffith University a Brisbane, in Australia. Utilizzando questa nuova tecnica interferometrica, gli scienziati hanno potuto misurare il ritardo temporale tra gli impulsi di luce ultravioletta estrema emessi da due isotopi di molecole di idrogeno – H2 e D2 – che interagiscono con intensi impulsi laser infrarossi.
Questo ritardo è risultato inferiore a tre attosecondi. Hanno anche scoperto la causa del ritardo: movimenti leggermente diversi dei nuclei più leggeri e più pesanti.
La generazione di armoniche elevate (HHG) è un metodo in cui le molecole sono esposte a potenti impulsi laser per produrre l'effettivo onde luminose.
La radiazione ultravioletta estrema (XUV) viene rilasciata quando uno ione si ricombina con un elettrone estratto da una molecola da un intenso campo laser; quindi, l'elettrone viene accelerato dallo stesso campo. Tutti i singoli atomi e molecole rilasciano la radiazione HHG in modo diverso e l’esatta dinamica delle funzioni d’onda degli elettroni coinvolti in questo processo influenza l’intensità e la fase della radiazione XUV HHG.
Uno spettrometro a reticolo di base può facilmente misurare l’intensità dello spettro di HHG, ma misurare la fase HHG è un processo molto più impegnativo. E la fase comprende i dati più essenziali riguardanti i tempi di diversi processi di processo delle emissioni.
Due copie dell'onda con ritardi controllati con precisione vengono prodotte per sovrapporsi (o interferire) tra loro in un processo noto come interferometria per misurare questa fase. A seconda della loro latenza e della relativa differenza di fase, possono interferire in modo costruttivo o distruttivo.
Un interferometro è uno strumento utilizzato per effettuare questa misurazione. È estremamente difficile creare e mantenere un ritardo stabile, prevedibile e finemente regolabile tra due impulsi XUV in un interferometro per impulsi XUV.
Lo studio ha risolto questo problema sfruttando il fenomeno della fase Gouy. La molecola più semplice in natura, idrogeno molecolare, è disponibile in due isotopi distinti, che gli scienziati hanno utilizzato nei loro studi. L'unica differenza di massa nucleare tra gli isotopi leggeri (H2) e pesanti (D2) dell'idrogeno è tra i protoni in H2 e i deutoni in D2. La composizione elettronica, le energie e tutto il resto sono gli stessi.
A causa della loro massa maggiore, i nuclei in D2 si muovono leggermente più lentamente di quelli in H2. Poiché i movimenti nucleari ed elettronici nelle molecole sono accoppiati, il movimento nucleare influenza la dinamica delle funzioni d'onda degli elettroni durante il processo HHG determinando un piccolo spostamento di fase ΔφH2-D2 tra i due isotopi.
Questo sfasamento equivale ad un ritardo temporale Δt = ΔφH2-D2 /ω dove ω è la frequenza dell'onda XUV. Gli scienziati della Griffith hanno misurato questo ritardo temporale di emissione per tutte le armoniche osservate nello spettro HHG: era quasi costante e leggermente inferiore a tre attosecondi.
Successivamente, gli scienziati hanno utilizzato i metodi teorici più avanzati per modellare in modo completo il processo HHG nei due isotopi dell'idrogeno molecolare. Include anche tutti i gradi di libertà per il movimento nucleare ed elettronico a vari livelli di approssimazione.
Il team era fiducioso che la simulazione avesse catturato con precisione le caratteristiche critiche del processo fisico sottostante perché simulava accuratamente i risultati sperimentali. Variando i parametri e i livelli di approssimazione del modello, è possibile determinare la significatività relativa dei diversi effetti.
Professor Igor Litvinyuk, Griffith University, School of Environment & Science, Nathan, Australia, disse, “Poiché l’idrogeno è la molecola più semplice in natura e può essere modellato teoricamente con elevata precisione, è stato utilizzato in questi esperimenti di prova di principio per il benchmarking e la convalida del metodo”.
“In futuro, questa tecnica potrà misurare la dinamica ultraveloce di vari processi indotti dalla luce negli atomi e nelle molecole con una risoluzione temporale senza precedenti”.
Riferimento della Gazzetta:
- Mumta Hena Mustray et al. Ritardi di attosecondi delle emissioni ad alta armonica degli isotopi dell'idrogeno misurati dall'interferometro XUV. Scienza ultraveloce. DOI: 10.34133/2022/9834102
