Due lampi della durata di un attosecondo rendono visibile il movimento degli elettroni
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I ricercatori del Max-Born-Institut hanno sviluppato un metodo di laboratorio in cui gli impulsi attosecondi vengono utilizzati sia per eccitare che per osservare i movimenti elettronici. Grazie alla cosiddetta spettroscopia di assorbimento transitorio all-attosecondo, il team è riuscito a risolvere il movimento oscillatorio di un buco elettronico negli ioni di xeno con una durata del periodo di circa tre femtosecondi. I risultati sono stati ora pubblicati su Nature Communications.
Osservazione del movimento di un buco elettronico negli ioni Xe⁺. La figura in alto mostra la variazione dell'assorbimento XUV in funzione del ritardo; la freccia indica una struttura oscillante a circa 16 eV. La figura in basso mostra l'andamento temporale di questa struttura con una durata del periodo di circa 3 fs.
MBI | Evaldas Svirplys
I ricercatori del Max-Born-Institut hanno sviluppato un metodo di laboratorio in cui gli impulsi attosecondi vengono utilizzati sia per eccitare che per osservare i movimenti elettronici. Grazie alla cosiddetta spettroscopia di assorbimento transitorio interamente in attosecondi, il team è riuscito a risolvere il movimento oscillatorio di un buco elettronico negli ioni di xeno con una durata del ciclo di circa tre femtosecondi. I risultati sono stati ora pubblicati su Nature Communications.
I movimenti elettronici determinano le fasi iniziali di praticamente tutti i processi indotti dalla luce in natura – dal primo passo di una reazione chimica fino al trasporto di carica in un solido. Tuttavia, questi processi si svolgono così rapidamente che possono essere osservati solo con lampi di luce della durata di poche centinaia di attosecondi. Un attosecondo corrisponde a un miliardesimo di un miliardesimo di secondo. Nella maggior parte degli esperimenti attosecondi condotti finora, un impulso attosecondo nell’ultravioletto estremo (XUV) veniva combinato con un impulso nel vicino infrarosso più lungo e spesso intenso. Tali campi possono influenzare il sistema studiato e sovrapporsi alla sua risposta elettronica intrinseca. Nel nuovo approccio, invece, sia l’impulso di pompaggio che quello di sonda sono impulsi XUV dell’ordine degli attosecondi. Ciò consente di ottenere una visione potenzialmente molto più incontaminata delle dinamiche sottostanti.
I ricercatori hanno generato, utilizzando una sorgente di armoniche superiori in laboratorio, impulsi di durata pari a circa 270 attosecondi. Il primo impulso ha rimosso un elettrone da un atomo di xeno, generando lo ione residuo in una sovrapposizione coerente di due stati elettronici energeticamente molto vicini. Il vuoto così creato nel guscio elettronico, un cosiddetto «buco elettronico», non è rimasto stazionario, ma si è mosso periodicamente all’interno dello ione.
Il secondo impulso di attosecondi ha registrato questo movimento sulla base delle variazioni nello spettro di assorbimento nell’ultravioletto estremo. Il periodo misurato, pari a circa tre femtosecondi, corrisponde al periodo di oscillazione previsto in base alla differenza di energia tra i due stati di spin-orbita. «Grazie all’impiego di impulsi attosecondi in entrambe le fasi, possiamo eccitare e osservare i movimenti elettronici senza applicare un ulteriore campo infrarosso intenso», spiega Bernd Schütte, che ha guidato lo studio. «In questo modo ci avviciniamo all’obiettivo di osservare i processi elettronici mentre si svolgono, senza influenzarli in modo significativo.»
L’esperimento rappresenta un passo importante verso una nuova generazione di spettroscopia attosecondo, che potrà essere condotta in laboratorio utilizzando intense sorgenti di luce attosecondo. Combinando una risoluzione temporale estrema con la capacità di distinguere i singoli stati elettronici l’uno dall’altro, il metodo potrebbe rendere visibile il modo in cui le cariche si muovono attraverso le molecole, come viene ridistribuita l’energia elettronica e come i primi passi decisivi di una reazione fotochimica derivano dall’interazione accoppiata tra elettroni e nuclei atomici.
Il potenziale di questo metodo va ben oltre gli atomi e le molecole. Se applicato ai solidi, il metodo potrebbe mostrare come si sviluppano lo schermaggio elettronico, i processi di diffusione, la moltiplicazione dei portatori di carica, la formazione di eccitoni e il trasferimento di carica attraverso le interfacce su scale temporali che vanno dagli attosecondi ai femtosecondi. Tali misurazioni potrebbero fornire una nuova visione microscopica dei processi che determinano le prestazioni dei semiconduttori, dei materiali quantistici, dei sistemi bidimensionali e dei futuri componenti optoelettronici. A lungo termine, la spettroscopia «All-Attoseconds» potrebbe aprire la strada non solo all’osservazione dei processi elettronici più rapidi che determinano la reazione della materia alla luce, ma anche, in ultima analisi, al loro controllo mirato.
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