Un team di ricercatori dell'Helmholtz Institute Jena e DESY ha aperto la strada all'utilizzo di laser convenzionali per osservare la rottura dei legami chimici. Per i loro esperimenti, gli scienziati hanno combinato la generazione di luce ad alte prestazioni e componenti di rilevamento delle due istituzioni di Helmholtz. La configurazione risultante costituisce la base per osservare processi ad alta velocità con una risoluzione di 30 miliardesimi di secondo (30 femtosecondi). Inoltre, la configurazione è così compatta e robusta che potrebbe fungere da prototipo per apparecchiature di misurazione che potrebbero essere installate e utilizzate anche in strutture e università più piccole.

Cosa succede quando si rompe un legame chimico? Come si uniscono i singoli atomi per formare una molecola, e disimpegnarsi di nuovo? La comprensione della dinamica dei processi chimici è spesso descritta come il "Santo Graal" della chimica fisica; una volta capito cosa sta succedendo, sei in grado di influenzare tali legami e forse anche di progettare materiali completamente nuovi.

L'osservazione di tali processi chimici con grande precisione richiede telecamere ad alta velocità con una risoluzione temporale e spaziale estremamente elevata, come il laser a elettroni liberi a raggi X europeo XFEL, che è attualmente in costruzione nella regione metropolitana di Amburgo e consentirà agli scienziati di esaminare singole molecole e atomi. Però, un laser che emette luce ultravioletta a onde corte è tutto ciò che serve per osservare la rottura dei legami chimici in piccole molecole – questo e un rilevatore di coincidenza del tipo sviluppato per esperimenti con laser a raggi X e sincrotrone.

Nei loro esperimenti, gli scienziati di Helmholtz hanno sparato brevi impulsi di luce XUV ad alta intensità su molecole di iodometano (CH3I), chiamato anche ioduro di metile, costituito da un atomo di iodio e un gruppo metilico (CH3). La luce ha rotto il legame tra lo iodio e il gruppo metilico, ei frammenti della molecola sono stati catturati e misurati in uno spettrometro. Ciò ha permesso di dedurre il riarrangiamento degli elettroni nella molecola eccitata, e quindi i successivi processi chimici indotti.

Gli esperimenti si basavano su un sistema laser da tavolo per la luce nella cosiddetta gamma dell'ultravioletto estremo (XUV). Il laser, che è stato sviluppato presso l'Helmholtz Institute Jena, produce molto breve, impulsi ad alta intensità di XUV amplificando prima fortemente un impulso di radiazione infrarossa in una fibra ottica, e successivamente generare multipli dispari della frequenza laser originale. Per questi esperimenti, una di queste cosiddette frequenze armoniche superiori, con una lunghezza d'onda di circa 18 nanometri, è stato estratto utilizzando speciali dispositivi ottici e utilizzato per l'esperimento.

"Il sistema laser XUV produce lampi di luce costituiti da un milione di fotoni, che durano solo 30 femtosecondi, con una frequenza degli impulsi fino a 100 kilohertz, " spiega il professor Jens Limpert. Jan Rothhardt, che ha contribuito a sviluppare il laser, aggiunge:"La combinazione di un flusso di fotoni elevato e un tasso di ripetizione molto elevato in combinazione con una stabilità molto elevata qualifica questo sistema, in linea di principio, per eseguire esperimenti utente in dinamica chimica."

L'uso di armoniche più elevate per produrre gli impulsi offre un ulteriore vantaggio intrinseco:una reazione chimica può essere innescata da un impulso di luce prodotto dal laser, e quindi esaminata dopo un tempo prefissato utilizzando un impulso di radiazione XUV prodotta dallo stesso laser. "Il ritardo tra il primo e il secondo impulso può essere regolato con un alto grado di precisione, " dice Rothhardt. Questa tecnica "pump and probe" non è stata ancora utilizzata nella prima serie di esperimenti, ma è già stata testata e deve essere inclusa negli esperimenti di follow-up.

Una seconda importante componente degli esperimenti era una complessa camera di campionamento e rivelatore, sviluppato per l'uso in laser a elettroni liberi (FEL), che era già stato impiegato negli acceleratori FLASH e PETRA III di DESY. In questa camera sperimentale CAMP, gestita dal gruppo di Daniel Rolles in quel momento, il campione è stato sparato nel raggio di luce come un getto sottile che viaggia a velocità supersoniche. L'interazione con la radiazione XUV ha distrutto le molecole, e le proprietà dei frammenti che volano via sono state misurate con grande precisione in uno spettrometro incorporato. Le misurazioni della coincidenza hanno permesso di assegnare i frammenti catturati alle loro molecole originali, e la precisa caratterizzazione degli elementi costitutivi significa che la rottura del legame può essere decifrata nel tempo.

"Riunendo le possibilità sperimentali e scientifiche di Jena e Amburgo, stiamo aprendo nuove opportunità per osservare le dinamiche chimiche, ", afferma il professor Jochen Küpper, scienziato di DESY, che ha avviato gli esperimenti e che è anche membro del Center for Free-Electron Laser Science e dell'Hamburg Center for Ultrafast Imaging presso l'Università di Amburgo. Lo scienziato di DESY Tim Laarmann aggiunge:"Nella fase successiva, useremo l'apparato per condurre esperimenti di pompa e sonda. In linea di principio, questo assetto dovrebbe infatti permetterci di raggiungere risoluzioni temporali molto più elevate inferiori al femtosecondo, rendendo possibile osservare movimenti estremamente veloci di elettroni in molecole complesse."