Credits: SLAC National Accelerator Laboratory

X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulse (XLEAP)

I ricercatori dimostrano una nuova capacità di guidare e tracciare il moto elettronico, che è fondamentale per comprendere il ruolo degli elettroni nei processi chimici e come la coerenza quantistica si evolve nei tempi più brevi.

Nel primo esperimento che ha sfruttato una nuova tecnologia per la produzione di potenti impulsi laser a raggi X ad attosecondi, un team di ricerca guidato da scienziati del Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory e dell’Università di Stanford ha dimostrato di poter creare ondulazioni elettroniche nelle molecole attraverso un processo chiamato “impulsive scattering Raman”.

Sfruttando questa interazione unica, gli scienziati potranno studiare come gli elettroni, che si muovono intorno alle molecole, danno il via a processi chiave in biologia, chimica, scienza dei materiali e altro ancora. I ricercatori hanno descritto i loro risultati in Physical Review Letters.

Nuovi modi per misurare e controllare la materia

In genere, quando gli impulsi dei raggi X interagiscono con la materia, i raggi X fanno sì che gli elettroni del “nucleo” più interno delle molecole saltino ad energie superiori. Questi stati di eccitazione del nucleo sono altamente instabili, decadendo in appena milionesimi di miliardesimo di secondo. Nella maggior parte degli esperimenti ai raggi X, è così che finisce la storia: gli elettroni eccitati ritornano rapidamente al loro posto trasferendo la loro energia ad un elettrone vicino, costringendolo a uscire dall’atomo e producendo uno ione carico.

Tuttavia, con un impulso a raggi X sufficientemente breve e intenso, l’atomo può essere costretto a rispondere in modo diverso, aprendo nuovi modi per misurare e controllare la materia. I raggi X possono eccitare l’elettrone del nucleo, ma poi anche spingere un elettrone esterno per riempire il vuoto. Questo permette alla molecola di entrare in uno stato di eccitazione mantenendo i suoi atomi in uno stato stabile e neutro. Poiché questo processo Raman si basa su elettroni a livello del nucleo, l’eccitazione elettronica è, inizialmente, altamente localizzata nella molecola, rendendo più facile individuare la sua origine e seguirne l’evoluzione.

Se si pensa agli elettroni della molecola come a un lago, l’interazione Raman è simile a prendere una roccia e gettarla in acqua“, dice il coautore e scienziato dello SLAC James Cryan. “Questa “eccitazione” crea onde che si increspano sulla superficie da un punto specifico. In modo simile, le eccitazioni a raggi X creano “onde di carica” che si increspano attraverso la molecola. Esse forniscono ai ricercatori un modo completamente nuovo di misurare la risposta di una molecola alla luce“.

Impulsi di soli 280 attosecondi

Gli impulsi di luce visibile possono anche essere usati per creare uno stato eccitato di molecole, ma questi impulsi sono più simili a un piccolo terremoto che increspa l’intera superficie dell’acqua. L’eccitazione impulsiva dei raggi X Raman fornisce molte più informazioni sulle proprietà della molecola, l’equivalente di rocce che cadono in vari punti per produrre e osservare diversi modelli di ondulazione.

Precedenti esperimenti LCLS hanno dimostrato il processo Raman negli atomi, ma finora l’osservazione di questo processo nelle molecole ha eluso gli scienziati. Questo esperimento ha avuto successo grazie ai recenti sviluppi nella produzione di impulsi laser a elettroni liberi (FEL) a raggi X da 10 a 100 volte più brevi di prima. Guidato dallo scienziato dello SLAC Agostino Marinelli, il progetto X-ray Laser-Enhanced Attosecond Pulse (XLEAP) ha fornito un metodo per generare impulsi intensi che sono lunghi solo 280 attisecondi, o miliardesimi di miliardesimo di secondo. Questi impulsi sono stati fondamentali per il successo dell’esperimento e permetteranno agli scienziati di avviare reazioni chimiche e processi quantistici coerenti in futuro.

Questo esperimento mostra le proprietà uniche dei FEL di attosecondi rispetto alle sorgenti di attisecondi basate su laser all’avanguardia“, dice Marinelli. “La cosa più importante è che questo esperimento mostra come la stretta collaborazione tra gli scienziati dell’acceleratore e la comunità degli utenti possa portare a una nuova ed entusiasmante scienza“.

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