I ricercatori del Politecnico di Zurigo hanno sviluppato un metodo per risolvere nel tempo i movimenti degli elettroni di pochi attosecondi negli ammassi di acqua. Questa tecnica può essere utilizzata sia per una ricerca più precisa sull’acqua che per un’elettronica più veloce.
Quasi tutti i processi chimici vitali avvengono in soluzioni acquose. Gli elettroni, che vengono scambiati tra atomi e molecole diverse e che consentono di formare o sciogliere legami chimici, svolgono un ruolo decisivo in questi processi. Tuttavia, è difficile studiare in dettaglio come ciò avvenga, poiché gli elettroni si muovono molto rapidamente. I ricercatori del Politecnico di Zurigo, guidati da Hans Jakob Wörner, professore di chimica fisica, in collaborazione con i colleghi del Lawrence Berkeley National Laboratory (USA), sono riusciti a studiare la dinamica degli elettroni in cluster di molecole d’acqua con una risoluzione temporale di pochi attosecondi. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati in anteprima sulla rivista specializzata Nature.
Nei loro esperimenti, gli scienziati hanno studiato come i cluster d’acqua vengono ionizzati da un breve impulso laser nell’estrema gamma ultravioletta. A tal fine, gli ammassi vengono prima creati comprimendo il vapore acqueo ad alta pressione attraverso un minuscolo ugello. I fotoni ultravioletti estremi dell’impulso laser utilizzano quindi la loro energia per strappare uno degli elettroni del cluster. Il risultato è un vuoto, detto anche buco.
Tuttavia, l’elettrone non viene rilasciato immediatamente dopo l’impatto dell’impulso, ma con un leggero ritardo. L’entità di questo ritardo dipende dal modo in cui l’elettrone buco è distribuito tra le molecole del cluster. Finora questa distribuzione dei fori poteva essere calcolata solo teoricamente, poiché il ritardo è troppo breve per essere misurato con metodi di rilevamento.Xiaochun Gong, che ha supervisionato l’esperimento come post-doc, spiega.
In termini pratici, il ritardo dura solo pochi attosecondi, ovvero qualche miliardesimo di miliardesimo di secondo. La brevità di un attosecondo può essere illustrata come segue: Un singolo secondo contiene tanti attosecondi quanti sono i secondi in 32 miliardi di anni.
Per poter misurare intervalli di tempo estremamente brevi, di pochi attosecondi, Wörner e i suoi colleghi 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 diretti verso gli ammassi d’acqua.
L’impulso laser a infrarossi ha modificato l’energia degli elettroni che erano stati eliminati dall’impulso laser ultravioletto. La fase di oscillazione dell’impulso laser a infrarossi può essere controllata con estrema precisione mediante un interferometro. Il numero di processi di ionizzazione, misurato con i rivelatori, variava in base alla fase di oscillazione. Da queste misurazioni, i ricercatori sono stati finalmente in grado di leggere direttamente il ritardo di ionizzazione.
Poiché siamo stati in grado di determinare le dimensioni del cluster iniziale di acqua durante ogni processo di ionizzazione con l’aiuto di uno spettrometro di massa, abbiamo potuto dimostrare che il ritardo dipende dalle dimensioni del cluster", spiega Saijoscha Heck, dottoranda del gruppo di lavoro di Wörner. Fino a una dimensione del cluster di quattro molecole d’acqua, il ritardo aumenta costantemente fino a circa 100 attosecondi. A partire da cinque molecole d’acqua, invece, rimane praticamente costante. Questo perché i piccoli cluster hanno un alto grado di simmetria, che permette all’elettrone buco di propagarsi in tutto il cluster secondo le regole della meccanica quantistica. Al contrario, i cluster di grandi dimensioni sono piuttosto asimmetrici e disordinati, per cui il foro si localizza su alcune molecole d’acqua.
Grazie a queste misurazioni in attosecondo, abbiamo aperto possibilità di ricerca completamente nuove", afferma Wörner. Sta già pianificando i prossimi esperimenti, in cui vuole studiare la dinamica dell’elettrone buca con l’aiuto di altri impulsi laser, con risoluzione spaziale e temporale. In particolare, Wörner spera di comprendere meglio il modo in cui le radiazioni danneggiano i tessuti biologici, con la ionizzazione dell’acqua che gioca un ruolo fondamentale. Ma Wörner vede anche molte possibili applicazioni al di là della ricerca sulla dinamica degli elettroni nell’acqua. Ad esempio, per produrre componenti elettronici più veloci, è essenziale comprendere con precisione l’estensione spaziale degli stati di elettroni e buche e la loro evoluzione nel tempo nei semiconduttori. La nuova tecnica dei ricercatori potrebbe rivelarsi estremamente utile.
Riferimento bibliografico
Gong X, Heck S, Jelovina D. et al. Spettroscopia ad attosecondi di cluster d’acqua con risoluzione dimensionale. Nature, 12 luglio 2022. DOI : 10.1038/s41586’022 -05039-8
