Nella sua ricerca, Markus Koch, Professore Associato presso l'Istituto di Fisica Sperimentale della Graz University of Technology (TU Graz), si concentra sui processi in molecole e cluster che avvengono su scale temporali di picosecondi (10-12 secondi) e femtosecondi (10-15 secondi).

Ora, Koch e il suo team hanno raggiunto una svolta nella ricerca su sistemi molecolari completamente nuovi. Mediante spettroscopia a femtosecondi, che consente di misurare processi ultraveloci in modo risolvibile nel tempo, i ricercatori di Graz sono stati in grado di descrivere esattamente i processi in una gocciolina di elio superfluido di circa cinque nanometri dopo la fotoeccitazione di un atomo all'interno.

Questa pietra miliare nella ricerca di base ha un impatto sull'indagine sperimentale di atomi e molecole. Markus Koch spiega l'approccio pionieristico:"Il nostro istituto, guidato da Wolfgang Ernst, ha una lunga tradizione nella produzione e nello studio di nuovi sistemi e cluster in un fluido quantistico di dimensioni nanometriche. Ora stiamo combinando questa esperienza con la spettroscopia a femtosecondi. Questo ci permette di osservare e misurare processi, innescati dalla fotoeccitazione in tempo reale e per descriverne la dinamica. Siamo il primo gruppo di ricerca che ha osservato questo." I risultati della ricerca sono stati appena pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Una tecnica ricca di superlativi

Per indagare questo processo fondamentale che avviene su una scala temporale ultracorta di solo un trilionesimo di secondo, il team guidato da Markus Koch applica la spettroscopia a femtosecondi. Il metodo pump-probe a femtosecondi fornisce istantanee dei movimenti atomici. Per l'esperimento, un singolo atomo di indio viene introdotto in una minuscola gocciolina di elio.

L'atomo di indio è sottoposto ad eccitazione della pompa mediante un breve impulso e successivamente trasferisce energia all'elio circostante, che inizia ad oscillare collettivamente. Un secondo lampo di luce ritardato quindi sonda il sistema per osservare la dinamica.

Bernardo Thaler, un dottorato di ricerca studente presso l'Istituto di Fisica Sperimentale che è sostanzialmente coinvolto nella ricerca pionieristica, spiega cosa succede:"Quando fotoeccitiamo l'atomo all'interno della gocciolina di elio, il suo guscio elettronico si espande e la bolla avvolgente aumenta entro un picosecondo dopo la stimolazione. Osserviamo inoltre che l'atomo di indio viene espulso dalla gocciolina dopo circa 50-60 picosecondi. Siamo stati in grado di ottenere questa intuizione meccanicistica per la prima volta con l'esperimento dei femtosecondi".

Un processo caratterizzato da superlativi:movimenti ultraveloci su scale temporali a femtosecondi all'interno di goccioline di elio di dimensioni nanometriche (che è meno di un millesimo del diametro di un capello), a una temperatura ultrabassa di 0,4 Kelvin sopra lo zero assoluto. Il team è stato in grado di illustrare questo processo in modo molto chiaro utilizzando un software di simulazione.

Dalla prova di concetto all'applicazione in molecole complesse

Con questo successo di ricerca, Markus Koch e il suo team sono riusciti a dimostrare in modo impressionante che l'ultraveloce, è possibile osservare e simulare la dinamica elettronica e nucleare delle particelle all'interno di goccioline di elio superfluido. A seguito di questo successo di ricerca, Markus Koch sta già guardando al futuro. "Oggi, stiamo ancora sperimentando con singoli atomi, "dice Koch, "ma dopo questa prova di concetto ci stiamo muovendo a passi da gigante verso l'applicazione di nanogoccioline di elio per studiare le dinamiche in sistemi molecolari precedentemente sconosciuti o fragili di rilevanza tecnologica o biologica".