Molti processi chimici sono così rapidi da essere compresi solo approssimativamente. Per chiarire questi processi, un team dell'Università tecnica di Monaco (TUM) ha ora sviluppato una metodologia con una risoluzione di quintilionesimi di secondo. La nuova tecnologia potrebbe migliorare la comprensione di processi come la fotosintesi e contribuire allo sviluppo di chip per computer più veloci.

Un importante passaggio intermedio in molti processi chimici è la ionizzazione. Un tipico esempio di ciò è la fotosintesi. Le reazioni richiedono solo pochi femtosecondi (quadrilionesimi di secondo), o anche qualche centinaio di attosecondi (quintilionesimi di secondo). Perché corrono così estremamente veloci, si conoscono solo i prodotti iniziali e finali, ma non i percorsi di reazione o i prodotti intermedi.

Per osservare tali processi ultraveloci, la scienza ha bisogno di una tecnologia di misurazione che sia più veloce del processo osservato stesso. Ciò è reso possibile dalla cosiddetta "spettroscopia a pompa di sonda". Qui, il campione viene eccitato utilizzando un impulso laser iniziale, che mette in moto la reazione. Un secondo, l'impulso ritardato interroga lo stato momentaneo del processo. Ripetizioni multiple della reazione con diversi ritardi di tempo danno luogo a singole immagini stop-motion, che può poi essere compilato in un filmato.

Ora, un team di scienziati guidato da Birgitta Bernhardt alla TU Munich ha combinato due tecniche di spettroscopia a pompa di sonda utilizzando il gas inerte krypton. Ciò ha permesso loro di visualizzare i processi di ionizzazione ultraveloci con una precisione che prima era impossibile.

"Prima del nostro esperimento, si potrebbe osservare quale parte della luce eccitante è stata assorbita dal campione nel tempo o misurare che tipo e quanti ioni sono stati creati nel processo, " spiega Bernhardt. "Ora abbiamo combinato le due tecniche, che ci permette di osservare i passaggi precisi con cui avviene la ionizzazione, da quanto tempo esistono questi prodotti intermedi e cosa provoca esattamente l'impulso laser eccitante nel campione".

Processi ultraveloci sotto controllo

La combinazione delle due tecniche di misurazione consente agli scienziati di registrare i processi di ionizzazione ultraveloci e, grazie alla variazione di intensità del secondo impulso laser di sondaggio, possono anche controllare e influenzare le dinamiche di ionizzazione.

"Questo tipo di controllo è uno strumento molto potente, " spiega Bernhardt. "Se siamo in grado di comprendere con precisione e persino influenzare i processi di ionizzazione rapida, siamo in grado di imparare molto sui processi guidati dalla luce come la fotosintesi, in particolare sui momenti iniziali in cui questo complesso macchinario viene messo in moto e che fino ad oggi non era stato compreso".

La tecnologia sviluppata da Bernhardt e dai suoi colleghi è interessante anche per lo sviluppo di nuovi, chip per computer più veloci in cui la ionizzazione del silicio gioca un ruolo significativo. Se gli stati di ionizzazione del silicio non solo possono essere campionati su una scala temporale così breve, ma può anche essere impostato, come suggeriscono i primi esperimenti con krypton, gli scienziati potrebbero un giorno essere in grado di utilizzare questo per sviluppare tecnologie informatiche nuove e ancora più veloci.