I ricercatori, solo per una frazione di secondo, hanno intravisto il mondo con l'occhio di un elettrone. Questo è, sono riusciti per la prima volta a tracciare un elettrone che lascia le vicinanze di un atomo mentre l'atomo assorbe la luce. In un modo simile a scattare "istantanee" del processo, sono stati in grado di seguire come l'impulso unico di ciascun elettrone è cambiato nell'arco di tempo incredibilmente breve impiegato per sfuggire al suo atomo ospite e diventare un elettrone libero.

Nel diario Fisica della natura , i ricercatori scrivono che seguire gli elettroni in modo così dettagliato costituisce un primo passo verso il controllo del comportamento degli elettroni all'interno della materia, e quindi il primo passo verso una strada lunga e complicata che potrebbe alla fine portare alla capacità di creare nuovi stati della materia a piacimento.

Una conseguenza immediata è che i ricercatori possono ora classificare il comportamento quantomeccanico degli elettroni di diversi atomi, ha spiegato il capo progetto Louis DiMauro, Hagenlocker Chair e professore di fisica alla Ohio State University.

"Ora possiamo guardare un elettrone e decifrare la sua storia antica. Possiamo chiederci come è diverso se provenisse da un atomo di elio o da un atomo di neon, ad esempio, " Egli ha detto.

Ma l'obiettivo finale dei ricercatori è mappare i sistemi di meccanica quantistica, che si applicano al mondo ultra-piccolo, su una scala molto più ampia in modo che possano eventualmente dirigere i movimenti delle particelle subatomiche all'interno di una molecola.

"Se pensi a ogni istantanea che scattiamo come un fotogramma in un film, forse un giorno potremmo fermare il film in un particolare fotogramma e cambiare ciò che accade dopo, diciamo, colpendo un elettrone con la luce e cambiandone la direzione. Sarebbe come entrare in una reazione chimica e far sì che la reazione avvenga in un modo diverso da come farebbe naturalmente, " Di Mauro ha detto.

Essenzialmente, lui e lo studente di dottorato in fisica Dietrich Kiesewetter e i loro colleghi hanno dimostrato che una tecnica di laboratorio consolidata per lo studio degli elettroni liberi potrebbe essere utilizzata per studiare gli elettroni che non sono ancora del tutto liberi, ma piuttosto in procinto di uscire da un atomo.

Gli elettroni si comportano in modo diverso quando possono sentire lo strattone di forze subatomiche da un nucleo e dagli elettroni vicini, e più si allontanano da un atomo, quelle forze diminuiscono. Sebbene la liberazione richieda meno di un femtosecondo (un quadrilionesimo di secondo), questo studio mostra come la quantità di moto di un elettrone cambia molte volte lungo il percorso quando perde il contatto con le singole parti dell'atomo. Tali cambiamenti avvengono sulla scala degli attosecondi (millesimi di femtosecondo, o quintilionesimi di secondo).

La tecnica utilizzata dai ricercatori si chiama RABBITT, o ricostruzione del battito in attosecondi interferendo con transizioni a due fotoni, e implica colpire gli atomi in un gas con la luce per rivelare informazioni di meccanica quantistica. Esiste da quasi 15 anni, ed è diventata una procedura standard per studiare processi che avvengono in tempi molto brevi.

Non tutte le informazioni di meccanica quantistica che provengono da RABBITT sono utilizzabili, tuttavia—o, almeno, non tutto è stato pensato per essere utilizzabile fino ad ora. Ecco perché hanno battezzato la loro versione della tecnica RABBITT+.

"Stiamo usando le informazioni che altre persone butterebbero via, la parte che proviene da vicino al nucleo dell'atomo, perché i dati sembravano sempre troppo complessi da decifrare, " DiMauro ha detto. "Abbiamo sviluppato un modello che mostra che possiamo estrarre alcune informazioni semplici ma importanti dalle informazioni più complesse".

DiMauro ha accreditato Robert Jones, il Francis H. Smith Professore di Fisica presso l'Università della Virginia, con l'elaborazione degli elementi chiave del modello che hanno reso utili le informazioni. Altri coautori del documento includono Pierre Agostini, professore di fisica all'Ohio State, ed ex dottorandi Stephen Schoun e Antoine Camper, che da allora si sono laureati.