La scienza dell'attosecondo ha rivoluzionato il modo in cui guardiamo all'evoluzione dipendente dal tempo del mondo microscopico, dove il comportamento della materia è governato dalle regole della meccanica quantistica. La svolta tecnologica che ha reso possibile lo sviluppo del campo si basa sulla generazione di impulsi laser ultracorti che durano solo poche oscillazioni del campo elettrico. Questi brevi impulsi hanno un'intensità focalizzata in cui il campo elettrico è paragonabile a quello che gli elettroni sperimentano all'interno di atomi e molecole. È possibile controllare sia l'esatta forma temporale che la forma d'onda di questi impulsi ultracorti. Mentre gli impulsi laser ultracorti sono stati utilizzati in alcuni laboratori in tutto il mondo per studiare le dinamiche indotte dalla luce in atomi e molecole, molte domande rimangono senza risposta, grazie alle basse velocità di trasmissione dei dati e all'intrinseco basso SNR ottenibile con gli attuali sistemi laser all'avanguardia.

All'Istituto Max Born, ora è stato completato un potente sistema laser, in grado di riprodurre i parametri dei sistemi laser tipicamente utilizzati negli esperimenti scientifici ad attosecondi, ma con una frequenza di ripetizione degli impulsi 100 volte superiore. Questo nuovo sistema laser consente una classe completamente nuova di esperimenti in semplici sistemi atomici e piccole molecole, così come indagini ad alta fedeltà di molecole più complesse.

Negli ultimi 15-20 anni, la disponibilità di impulsi luminosi nella regione dell'ultravioletto estremo (XUV) dello spettro elettromagnetico, con durate dell'ordine delle centinaia di attosecondi (1 as =10 ^-18 s) ha permesso l'emergere del campo della scienza degli attosecondi. Utilizzando questi impulsi estremamente brevi, gli scienziati hanno acquisito una visione senza precedenti dell'evoluzione temporale degli elettroni negli atomi, molecole e solidi, sfruttando la tecnica pump-probe:Il sistema in esame viene eccitato da un impulso laser "pump" e dopo un certo ritardo un secondo impulso "probe" interroga il sistema (ad esempio tramite ionizzazione). La dinamica indotta dall'impulso della pompa può essere recuperata ripetendo l'esperimento a diversi tempi di ritardo. Utilizzando la tecnica pump-probe, negli ultimi anni sono stati ottenuti numerosi risultati impressionanti su argomenti come la migrazione di carica indotta dalla luce, correlazioni multielettroniche, e l'accoppiamento tra gradi di libertà elettronici e nucleari. Tipicamente vengono determinate sperimentalmente le distribuzioni di velocità degli ioni o degli elettroni generati durante la sequenza pump-probe oppure viene rilevato lo spettro di assorbimento transitorio dell'impulso XUV in funzione del ritardo pump-probe. Spesso i processi indotti dalla luce sono complessi e misurare un solo osservabile non è sufficiente per comprendere appieno i risultati sperimentali. Già diversi anni fa, grazie allo sviluppo del cosiddetto "microscopio a reazione, " è stato ottenuto un grande miglioramento. Questo apparato consente una misurazione della distribuzione tridimensionale della velocità di tutti gli elettroni e gli ioni creati nel processo pump-probe Lo svantaggio di questa tecnica è che sono necessarie velocità di segnale molto basse, cioè solo il 10-20% di tutti i colpi laser dovrebbe indurre la formazione di una coppia elettrone-ione. Ciò porta a tempi di misurazione molto lunghi utilizzando gli attuali sistemi laser all'avanguardia.

Impulsi nell'XUV con durata ad attosecondi vengono prodotti quando un forte impulso laser nel VIS-NIR interagisce con un gas di atomi in un processo chiamato generazione di armoniche di alto ordine (HHG). Affinché durante il processo HHG si formi un singolo impulso XUV con durata ad attosecondi, gli impulsi laser che interagiscono con il gas dovrebbero durare solo poche oscillazioni del campo elettromagnetico, che tipicamente significa meno di 10 fs (1 fs =10 ^-15 S), e l'esatta forma temporale dell'impulso deve essere controllata. Il modo più diffuso di produrre tali impulsi laser consiste nell'amplificare brevi impulsi con una forma d'onda controllata (Carrier-Envelope Phase- o controllata da CEP) in un amplificatore laser Ti:Zaffiro e accorciare la durata degli impulsi tramite compressione di impulsi non lineare , utilizzando ad es. un capillare a nucleo cavo riempito di gas. Però, la frequenza di ripetizione degli impulsi di questi sistemi è tipicamente limitata a pochi kHz, e una frequenza massima riportata di 10 kHz, a causa di effetti termici dannosi intrinseci agli amplificatori laser.

Ora, ricercatori del Max Born Institute in Germania, in collaborazione con i colleghi del Norwegian Defense Research Establishment, hanno progettato e costruito un sistema laser in grado di funzionare a velocità di ripetizione degli impulsi molto più elevate rispetto ai tipici amplificatori Ti:Sapphire. Il sistema di nuova concezione è perfettamente adatto per eseguire esperimenti di pump-probe nella scienza degli attosecondi implementando il rilevamento della coincidenza di ioni elettroni in un microscopio a reazione.

Il sistema è basato su un amplificatore parametrico ottico non collineare (NOPA). In un amplificatore parametrico, l'energia di un forte impulso di pompa viene trasferita a un debole impulso di segnale in un'interazione istantanea non lineare in un cristallo. Il guadagno e la larghezza di banda del processo sono determinati da condizioni di adattamento di fase, questo è, assicurando che tutti i fotoni alla frequenza del segnale siano emessi in fase e si sommano coerentemente man mano che l'impulso del segnale si propaga nel cristallo. Quando la pompa e gli impulsi del seme entrano nel cristallo sottendendo un piccolo angolo (geometria non collineare), la larghezza di banda del processo è massimizzata ed è possibile amplificare impulsi ultracorti della durata di pochi cicli. Inoltre, poiché il processo è istantaneo e non c'è assorbimento di luce nel cristallo, non c'è accumulo di calore e i problemi termici sono quasi trascurabili. Perciò, Gli amplificatori NOPA sono adatti per alti tassi di ripetizione.

Nel sistema laser presentato in un articolo recentemente pubblicato in Lettere di ottica , i ricercatori hanno amplificato impulsi ultracorti CEP-stabili da un oscillatore laser Ti:Sapphire in un amplificatore NOPA pompato da un laser a disco sottile commerciale Yb:YAG ad alta frequenza di ripetizione. Nell'amplificatore parametrico una grande frazione (circa il 20%) dell'energia degli impulsi dal sistema Yb:YAG viene trasferita in modo efficiente agli impulsi ultracorti CEP-stabili dall'oscillatore laser Ti:Zaffiro. Il sistema NOPA è quindi in grado di erogare impulsi con 0,24 mJ di energia con una frequenza di ripetizione di 100 kHz, risultante in una potenza media di 24 W a una lunghezza d'onda centrale approssimativa di 800 nm. Dopo la compressione, filtraggio della seconda armonica parassita e un attenuatore variabile a banda larga per il controllo della potenza incidente negli esperimenti, Per gli esperimenti sono disponibili impulsi stabili alla CEP con 0,19 mJ (19 W) e 7 fs di durata (cioè 2,6 cicli). Il sistema sarà impiegato per la produzione di impulsi HHG e ad attosecondi isolati, e sarà la base di una linea di luce pump-probe ad attosecondi con capacità di rilevamento della coincidenza.