Gli scienziati di DESY hanno creato il "metronomo" più preciso al mondo per una rete larga un chilometro. Il sistema di cronometraggio sincronizza una rete laser-microonde lunga 4,7 chilometri con una precisione di 950 attosecondi. Un attosecondo è un quintilionesimo di secondo, o un milionesimo di milionesimo di milionesimo di secondo. Tali installazioni possono fornire il ritmo per la registrazione di istantanee a raggi X ultraveloci di processi dinamici nel mondo delle molecole e degli atomi. Il team tedesco-statunitense attorno al Prof. Franz X. Kärtner, scienziato leader di DESY del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) di Amburgo, riporta il risultato sulla rivista scientifica Luce:scienza e applicazioni .

"L'estrema precisione dei tempi è importante per molte aree di ricerca, " dice il dottorando Kemal Şafak del gruppo di Kärtner, uno dei principali autori dell'articolo. "Ad esempio, compiti di geodesia impegnativi richiedono la sincronizzazione del segnale con precisione al picosecondo, che è un trilionesimo di secondo. La navigazione ad alta precisione e gli array multi-telescopio per l'astronomia richiedono una precisione ancora più elevata fino a 40 femtosecondi." Un femtosecondo è un quadrilionesimo di secondo, o 1000 attosecondi.

I centri di ricerca come DESY che lavorano sui laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL) mirano a scattare istantanee dei processi ultraveloci nel nanocosmo, per esempio dinamica strutturale di biomolecole o reazioni chimiche. "I raggi X forniscono un'eccellente risoluzione spaziale sulla scala degli atomi, " spiega Şafak. "La sfida è raggiungere la necessaria risoluzione temporale sulla scala degli attosecondi, dove hanno luogo importanti processi molecolari e atomici."

Il pionieristico FLASH laser a elettroni liberi di DESY presenta già un'impressionante precisione di temporizzazione a livello di struttura di 30 femtosecondi. Questo è importante per i cosiddetti esperimenti pump-probe, dove un processo dinamico, ad esempio una reazione chimica, viene avviato con un impulso laser e analizzato con un altro impulso laser dopo un ritardo ben definito. La ripetizione dell'esperimento con tempi di ritardo che aumentano lentamente produce una serie di istantanee e crea un filmato in super slow motion della reazione o del processo in esame. Senza sincronizzazione tra gli impulsi, la dinamica non può essere risolta chiaramente nel film.

"Se possiamo ottenere una precisione ancora migliore, questo prometterebbe una scienza radicalmente nuova facendo luce sui processi molecolari e atomici che avvengono sulla scala temporale degli attosecondi. Questo dovrebbe rivoluzionare molti campi di ricerca dalla biologia strutturale alla scienza dei materiali e dalla chimica alla fisica fondamentale, " spiega Kartner, che è anche professore di fisica all'Università di Amburgo e continua a condurre programmi di ricerca attivi presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT), dove ha iniziato a lavorare su sistemi di distribuzione di temporizzazione ad alta precisione più di un decennio fa.

"Strutture come XFEL e centri di attoscience basati su laser richiedono la sincronizzazione a livello di attosecondi a livello di sistema di dozzine di segnali ottici e a microonde, spesso su distanze chilometriche, " aggiunge Kärtner. A tal fine, i ricercatori hanno sviluppato un sistema di distribuzione della temporizzazione ottica che utilizza il treno di impulsi a bassissimo rumore proveniente da un laser a modalità bloccata come segnale di temporizzazione. Utilizzando collegamenti in fibra ottica stabilizzati, il segnale di temporizzazione viene trasferito su una lunga distanza da una posizione centrale a più stazioni terminali, dove si realizza una sincronizzazione efficiente e robusta con sorgenti ottiche e microonde remote.

Sviluppando nuovi rilevatori di temporizzazione ultraveloci e sopprimendo accuratamente le non linearità delle fibre insieme ai contributi fondamentali del rumore, gli scienziati sono stati in grado di ottenere una precisione temporale di 950 attosecondi in una rete laser-microonde lunga 4,7 km per 18 ore. "Per quello che ci risulta, è la prima volta che si ottiene una sincronizzazione migliore di un singolo femtosecondo tra laser distanti in modalità bloccata e oscillatori a microonde su scala a livello di struttura per un lungo periodo di tempo, " dice Şafak.

"La rete laser-microonde di precisione ad attosecondi consentirà agli XFEL di prossima generazione e ad altre strutture scientifiche di operare con una precisione temporale senza precedenti, aiutandoli a esprimere tutto il loro potenziale, " sottolinea Kärtner. "Questo stimolerà nuovi sforzi scientifici verso la realizzazione di filmati atomici e molecolari alla scala temporale dell'attosecondo, aprendo così molte nuove aree di ricerca in biologia, sviluppo di farmaci, chimica, fisica fondamentale e scienza dei materiali. Oltretutto, questa tecnica dovrebbe anche accelerare gli sviluppi in molti altri campi di ricerca di frontiera che richiedono un'elevata risoluzione temporale come il confronto di orologi ottici ultra-stabili, astronomia delle onde gravitazionali e array di antenne ottiche coerenti".