Fig. 1:In un esperimento di assorbimento dei raggi X, la luce eccita un elettrone del nucleo fortemente legato in uno stato di banda di conduzione. A sinistra della figura è mostrata una tale transizione. Un elettrone fortemente legato a un nucleo di litio (verde) viene eccitato in uno stato di banda di conduzione (rosso) che interagisce sia con il nucleo di litio che con il gruppo boroidruro. Questo stato di banda di conduzione è quindi sensibile ad una modulazione della distanza Q tra nucleo di Litio e gruppo Boroidruro e di conseguenza il processo di assorbimento dei raggi X è sensibile a tale modulazione (cfr. Figg. 2(b) e 3(d) nell'articolo principale). Sul lato destro della figura è mostrato lo spettro di assorbimento dei raggi X al litio K-edge per diversi spostamenti fortemente esagerati. Credito:Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)
Moti periodici degli atomi su una lunghezza di un miliardesimo di milionesimo di metro (10 -15 m) sono mappati da impulsi a raggi X ultracorti. In un nuovo tipo di esperimento, gli atomi regolarmente disposti in un cristallo vengono messi in vibrazione da un impulso laser e una sequenza di istantanee viene generata tramite cambiamenti nell'assorbimento dei raggi X.
Un cristallo rappresenta una disposizione spaziale regolare e periodica di atomi o ioni che è tenuta insieme da forze tra i loro elettroni. I nuclei atomici in questa matrice possono subire diversi tipi di oscillazioni attorno alle loro posizioni di equilibrio, le cosiddette vibrazioni reticolari o fononi. L'allungamento spaziale dei nuclei in una vibrazione è molto più piccolo della distanza tra gli atomi, quest'ultimo essendo determinato dalla distribuzione degli elettroni. Tuttavia, i moti vibrazionali agiscono indietro sugli elettroni, modulano la loro distribuzione spaziale e modificano le proprietà elettriche e ottiche del cristallo su una scala temporale inferiore a 1 ps (10 -12 S). Per comprendere questi effetti e sfruttarli per nuovi, per esempio., acusto-ottico, dispositivi, bisogna immaginare la delicata interazione dei moti nucleari ed elettronici su una scala temporale molto più breve di 1 ps.
In una recente comunicazione rapida in Revisione fisica B , ricercatori del Max Born Institute di Berlino (Germania), i Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali a Dübendorf (Svizzera), e l'Istituto nazionale di standard e tecnologia, Gaithersburg (USA) applica un nuovo metodo di pompa ottica - spettroscopia con sonda a raggi X morbidi per generare vibrazioni atomiche coerenti in piccoli cristalli LiBH4, e leggerli tramite cambiamenti di assorbimento dei raggi X. Nei loro esperimenti, un impulso di pompa ottica centrato a 800 nm eccita tramite diffusione impulsiva Raman un fonone ottico coerente con simmetria Ag [filmato]. I moti atomici modificano le distanze tra gli ioni Li+ e (BH4)-. La variazione di distanza modula la distribuzione degli elettroni nel cristallo e, così, lo spettro di assorbimento dei raggi X degli ioni Li+. In questo modo, i moti atomici sono mappati in una modulazione dell'assorbimento dei raggi X molli sul cosiddetto Li K-edge intorno a 60 eV. Gli impulsi a raggi X ultracorti misurano la variazione di assorbimento dei raggi X in momenti diversi. Da questa serie di istantanee vengono ricostruiti i moti atomici.
Questo nuovo schema sperimentale è altamente sensibile e consente per la prima volta di avviare e rilevare ampiezze estremamente piccole delle vibrazioni atomiche. Nel nostro caso, gli ioni Li+ si muovono su una distanza di soli 3 femtometri =3 x 10 -15 m che è paragonabile al diametro del nucleo Li+ e 100000 volte inferiore alla distanza tra gli ioni nel cristallo. Le osservazioni sperimentali sono in ottimo accordo con approfonditi calcoli teorici sull'assorbimento dei raggi X transitori. Questo nuovo tipo di spettroscopia con sonda a raggi X morbidi a pompa ottica su una scala temporale di femtosecondi ha un forte potenziale per misurare e comprendere l'interazione dei movimenti nucleari ed elettronici nella materia liquida e solida, un prerequisito importante per simulazioni teoriche e applicazioni nella tecnologia.
