L'impulso laser più breve del mondo

Per comprendere appieno la dinamica di una reazione chimica, gli scienziati devono essere in grado di studiare tutti i moti di atomi e molecole sulle loro scale temporali fondamentali. Le molecole ruotano nell'intervallo dei picosecondi (10^-12s), i loro atomi vibrano nell'intervallo dei femtosecondi (10^-15s) e gli elettroni sono nell'ordine degli attosecondi (10^-18s).

Hans Jakob W?rner, professore di chimica fisica all'ETH di Zurigo, e il suo gruppo sono riusciti a generare l'impulso laser più breve al mondo, con una durata di soli 43 attosecondi. In generale, questo impulso laser è in realtà l'evento controllato più breve mai creato dall'uomo. Ciò consente ai ricercatori di osservare in dettaglio come si spostano gli elettroni all'interno di una molecola o come si formano i legami chimici.

Scomposizione degli stati di transizione passo dopo passo

Partendo da un laser a infrarossi, i ricercatori generano un impulso laser a raggi X morbidi con un'ampia larghezza di banda. Ciò consente di osservare direttamente vari elementi chimici come il fosforo e lo zolfo, eccitando gli elettroni dai loro gusci interni. Entrambi gli elementi sono presenti nelle biomolecole, il che rende ora possibile osservarli con una risoluzione temporale senza precedenti.

Ma qual è il vantaggio di poter osservare le fasi delle reazioni con una risoluzione così elevata? "Quanto più velocemente può avvenire un trasferimento di carica, tanto più efficacemente può procedere una reazione", spiega Hans Jakob W?rner. L'occhio, ad esempio, è molto efficiente nel convertire le particelle di luce, note come fotoni, in segnali nervosi. Nella proteina rodopsina, un pigmento visivo della retina, la molecola retina, sensibile alla luce, è disposta in modo tale che la sua struttura può cambiare estremamente rapidamente attraverso l'assorbimento di un singolo fotone, che a sua volta consente la visione, anche in condizioni di scarsa illuminazione. Una reazione molto più lenta renderebbe impossibile la visione perché l'energia del fotone verrebbe convertita in calore dopo pochi picosecondi.

La spettroscopia ad attosecondi, con la sua capacità di tracciare gli spostamenti di carica in tempo reale, potrebbe anche contribuire allo sviluppo di nuovi tipi di celle solari ad altissima efficienza, seguendo passo dopo passo il processo di eccitazione da parte della luce solare fino alla generazione di elettricità. Questo potrebbe aiutare a ottimizzare la struttura molecolare degli elementi sensibili alla luce nelle celle solari per consentire un trasferimento di carica più rapido e quindi più efficiente.

Intervento ottico nelle reazioni in corso

La spettroscopia laser ad attosecondi non è adatta solo alla pura osservazione. Gli impulsi laser ultrabrevi possono essere utilizzati anche per influenzare direttamente le reazioni chimiche. Il corso di una reazione può essere alterato o addirittura i legami chimici possono essere spezzati fermando lo spostamento di carica in un punto specifico della molecola con un impulso laser. Tali interventi mirati nelle reazioni chimiche non sono stati possibili fino ad ora, poiché la scala temporale del movimento degli elettroni nelle molecole era finora irraggiungibile.

Il gruppo di W?rner sta già lavorando alla prossima generazione di impulsi laser ancora più brevi. Questi permetteranno di ottenere immagini ancora più dettagliate e, grazie a uno spettro di raggi X più ampio, di eccitare più elementi rispetto al passato. Presto sarà possibile seguire la migrazione degli elettroni in molecole più complesse con una maggiore risoluzione temporale.