Misura degli atsecondi sugli elettroni negli ammassi d'acqua

Nei loro esperimenti, gli scienziati hanno studiato il modo in cui i cluster d'acqua vengono ionizzati da un breve impulso laser nell'estrema gamma ultravioletta. A tal fine, i cluster vengono prima generati forzando il vapore acqueo attraverso un piccolo ugello ad alta pressione. I fotoni ultravioletti estremi dell'impulso laser utilizzano poi la loro energia per garantire il distacco di uno degli elettroni del cluster. Questo crea un difetto, noto anche come "buco".

Tuttavia, l'elettrone non viene rilasciato immediatamente dopo l'impatto dell'impulso, ma con un piccolo ritardo. La dimensione del ritardo dipende da come l'elettrone buco è distribuito tra le molecole del cluster. "In precedenza, questa distribuzione del buco poteva essere calcolata solo teoricamente, poiché il ritardo è troppo breve per essere misurato con i consueti metodi di rilevamento sperimentale", spiega Xiaochun Gong, che ha supervisionato l'esperimento come ricercatore post-dottorando.

In concreto, il ritardo dura solo pochi attosecondi, cioè qualche miliardesimo di miliardesimo di secondo. La brevità di un attosecondo può essere visualizzata come segue: In un singolo secondo ci sono tanti attosecondi quanti secondi ci sono in 32 miliardi di anni.

Per misurare i tempi estremamente brevi di pochi attosecondi, W?rner e i suoi collaboratori hanno diviso un impulso laser infrarosso molto intenso in due parti, una delle quali è stata convertita in ultravioletto estremo mediante moltiplicazione di frequenza in un gas nobile. Hanno sovrapposto i due impulsi e li hanno puntati sugli ammassi d'acqua.

L'impulso laser infrarosso ha modificato l'energia degli elettroni rilasciati dall'impulso laser ultravioletto. La fase di oscillazione dell'impulso laser a infrarossi poteva essere impostata in modo molto preciso con l'aiuto di un interferometro. Il numero di processi di ionizzazione, misurato con i rivelatori, cambiava a seconda della fase di oscillazione. Da queste misurazioni, i ricercatori sono stati finalmente in grado di leggere direttamente il ritardo nella ionizzazione.

"Poiché abbiamo potuto utilizzare uno spettrometro di massa per determinare le dimensioni del cluster d'acqua originale per ogni processo di ionizzazione, siamo stati in grado di dimostrare che il ritardo dipende dalle dimensioni del cluster", afferma Saijoscha Heck, dottorando del gruppo di ricerca di W?rner. Fino a un cluster di quattro molecole d'acqua, il ritardo aumenta costantemente fino a circa cento attosecondi. A partire da cinque molecole d'acqua, invece, rimane praticamente costante. Ciò è dovuto al fatto che i piccoli cluster sono altamente simmetrici e permettono all'elettrone buco di diffondersi su tutto il cluster secondo le regole della meccanica quantistica. Gli ammassi più grandi, invece, tendono a essere asimmetrici e disordinati, per cui il buco si localizza solo su alcune molecole d'acqua.

"Queste misurazioni al secondo hanno aperto nuove possibilità di ricerca", afferma W?rner. Sta già pianificando i prossimi esperimenti, in cui intende studiare la dinamica dell'elettrone buco con l'aiuto di ulteriori impulsi laser, risolti sia spazialmente che temporalmente. Tra le altre cose, W?rner spera che questo possa portare a una migliore comprensione del modo in cui le radiazioni danneggiano i tessuti biologici, dal momento che la ionizzazione dell'acqua gioca un ruolo dominante. Tuttavia, W?rner vede anche un'ampia gamma di potenziali applicazioni che vanno oltre la ricerca sulla dinamica degli elettroni nell'acqua. Per realizzare componenti elettronici più veloci, ad esempio, è essenziale comprendere con precisione l'espansione spaziale degli stati di elettroni e buche e il loro sviluppo temporale nei semiconduttori. La nuova tecnica dei ricercatori dell'ETH potrebbe essere estremamente utile in questo senso.