I ricercatori dell'ETH sono riusciti ad accorciare la durata dell'impulso di un laser a raggi X a soli 43 attosecondi. Con una risoluzione temporale dell'ordine di pochi quintilionesimi di secondo, ora sono in grado per la prima volta di osservare il movimento degli elettroni durante le reazioni chimiche al rallentatore.

Per comprendere appieno le dinamiche durante una reazione chimica, gli scienziati devono essere in grado di studiare tutti i movimenti di atomi e molecole sulla loro scala temporale di base.

Le molecole ruotano nell'intervallo dei picosecondi (10-12 s), i loro atomi vibrano nell'intervallo dei femtosecondi (10‑15 s), e gli elettroni si muovono nell'intervallo degli attosecondi (10-18 s). Il professore dell'ETH Hans Jakob Wörner e il suo gruppo sono ora riusciti a generare l'impulso laser più corto del mondo con una durata di soli 43 attosecondi. Più in generale, questo impulso laser è l'evento controllato più breve che sia mai stato creato dall'uomo. I ricercatori possono ora osservare in dettaglio come si muovono gli elettroni all'interno di una molecola o come si formano i legami chimici.

Abbattere gli stati di transizione

Partendo da un laser a infrarossi, i ricercatori generano un impulso laser a raggi X morbidi con una larghezza di banda spettrale molto ampia. Di conseguenza, vari elementi tra cui fosforo e zolfo possono essere osservati direttamente eccitando i loro elettroni del guscio interno. Entrambi gli elementi sono presenti nelle biomolecole, ed è ora possibile osservarli con una risoluzione temporale senza precedenti.

Ma qual è il vantaggio di poter osservare i passaggi di reazione ora con una risoluzione ancora maggiore? "Più veloce può avvenire un trasferimento di carica, più efficientemente può procedere una reazione", dice il prof. Wörner. L'occhio umano, ad esempio, è molto efficiente quando si tratta di convertire i fotoni in segnali nervosi. Nella rodopsina, un pigmento visivo nella retina, la molecola fotosensibile retinica è predisposta in modo tale che la sua struttura possa mutare estremamente velocemente attraverso l'assorbimento di un solo fotone. Ciò consente il processo visivo anche al crepuscolo. Una reazione molto più lenta renderebbe impossibile la visione, perché l'energia del fotone verrebbe convertita in calore in pochi picosecondi.

La spettroscopia ad attosecondi potrebbe contribuire allo sviluppo di celle solari più efficienti poiché ora per la prima volta è possibile seguire passo dopo passo il processo di eccitazione attraverso la luce solare fino alla generazione di elettricità. Una comprensione dettagliata del percorso di trasferimento di carica potrebbe aiutare a ottimizzare l'efficienza della prossima generazione di elementi fotosensibili.

Manipolazione ottica del processo di reazione

La spettroscopia laser ad attosecondi non è adatta solo per la semplice osservazione, Il prof. Wörner spiega. Le reazioni chimiche possono anche essere manipolate direttamente:l'uso di un impulso laser può alterare il corso di una reazione:anche i legami chimici possono essere rotti arrestando lo spostamento di carica in una determinata posizione nella molecola. Tali interventi mirati nelle reazioni chimiche non sono stati possibili fino ad ora, poiché la scala temporale del movimento degli elettroni nelle molecole non era precedentemente raggiunta.

Il gruppo del Prof. Wörner sta già lavorando alla prossima generazione di impulsi laser ancora più brevi. Questi renderanno possibile registrare immagini ancora più dettagliate, e grazie a uno spettro di raggi X più ampio è possibile sondare ancora più elementi rispetto a prima. Presto sarà possibile seguire la migrazione degli elettroni in molecole più complesse con una risoluzione temporale ancora maggiore.