Credits: Stefan Eisebitt / Max Born Institute

Introduzione

Fin dai primi tempi della meccanica quantistica, è noto che anche i fotoni possiedono una quantità di moto. La capacità del fotone di trasferire la quantità di moto è stata utilizzata in un nuovo approccio dagli scienziati del Max Born Institute, dell’Università di Uppsala e della European X-Ray Free-Electron Laser Facility per osservare un processo fondamentale nell’interazione dei raggi X con gli atomi.

I risultati sono stati riportati sulla rivista Science.

Ottica non lineare a raggi x

L’assorbimento e l’emissione di un fotone da parte di un atomo sono processi fondamentali dell’interazione della luce con la materia. Molto più rari sono i processi in cui diversi fotoni interagiscono simultaneamente con un atomo. La disponibilità di intensi raggi laser a partire dagli anni ’60 ha portato allo sviluppo dell'”ottica non lineare”, che osserva e utilizza tali processi.

Emergono possibilità del tutto nuove sulla possibilità di utilizzare l’ottica non lineare con raggi X al posto della luce visibile. L’uso di lampi ultracorti di raggi X permette di osservare in dettaglio il movimento degli elettroni e dei nuclei atomici nelle molecole e nei solidi. Questa prospettiva è stata uno dei fattori che ha portato alla costruzione di laser a raggi X basati su acceleratori di particelle in diversi paesi. Quando l’European x-ray free-electron laser, l’European XFEL, è entrato in funzione nel 2017, la comunità scientifica ha fatto un passo importante in questa direzione.

Tuttavia, i progressi nell’uso di processi non lineari a raggi X per studiare l’interazione fondamentale con la materia sono stati più lenti del previsto. “In genere, i processi lineari molto più forti occludono gli interessanti processi non lineari“, afferma il Prof. Ulli Eichmann del Max Born Institute per l’ottica non lineare e la spettroscopia a impulsi brevi di Berlino.

Il nuovo metodo

Il team di ricerca tedesco-svedese ha ora dimostrato un nuovo metodo che permette di osservare i processi non lineari senza essere disturbati dai processi lineari. A tal fine, il team ha utilizzato il momentum che viene trasferito tra i raggi X e gli atomi. Attraversando un raggio atomico supersonico con il fascio a raggi X, essi possono identificare quegli atomi che hanno subito il cosiddetto processo di dispersione Raman stimolato – un processo fondamentale non lineare, in cui due fotoni di lunghezza d’onda diversa colpiscono un atomo e due fotoni di lunghezza d’onda più lunga lasciano l’atomo.

I fotoni trasferiscono la quantità di moto ad un atomo – in modo del tutto analogo a una palla da biliardo che ne colpisce un’altra“, spiega Eichmann. Nel processo Raman stimolato, entrambi i fotoni lasciano l’atomo nella stessa direzione dei due fotoni incidenti, quindi la quantità di moto dell’atomo e la sua direzione di volo rimangono sostanzialmente invariate. I processi lineari molto più frequenti, in cui un fotone viene assorbito seguito dall’emissione di un altro fotone, hanno una firma diversa: poiché il fotone emesso viene tipicamente emesso in una direzione diversa, l’atomo viene deviato. Osservando la direzione degli atomi gli scienziati potrebbero quindi discriminare chiaramente il processo Raman stimolato da altri processi.

Il nuovo metodo apre possibilità uniche se combinato in futuro con due impulsi di raggi X ritardati di diversa lunghezza d’onda. Tali modelli di impulsi sono diventati recentemente disponibili nei laser a raggi X, come l’XFEL europeo“, spiega il Dr. Michael Meyer, ricercatore dell’XFEL europeo. Poiché gli impulsi a raggi X con diverse lunghezze d’onda permettono di indirizzare in modo specifico particolari atomi in una molecola, è possibile osservare in dettaglio come le funzioni d’onda degli elettroni nelle molecole si evolvono nel tempo.

A lungo termine, gli scienziati sperano non solo di osservare questa evoluzione, ma anche di influenzarla attraverso impulsi laser su misura. “Il nostro approccio permette una migliore comprensione delle reazioni chimiche su scala atomica e può aiutare a guidare le reazioni nella direzione desiderata. Poiché il movimento degli elettroni è il passo essenziale nelle reazioni chimiche e fotochimiche che si verificano ad esempio nelle batterie e nelle celle solari, il nostro approccio può dare una nuova comprensione anche in tali processi“, dice Jan-Erik Rubensson, professore all’Università di Uppsala.

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