Una tecnologia laser di nuova concezione ha consentito ai fisici del Laboratorio di fisica degli attosecondi (gestito congiuntamente da LMU Munich e dall'Istituto Max Planck di ottica quantistica) di generare lampi di attosecondi di fotoni ad alta energia di intensità senza precedenti. Ciò ha reso possibile osservare l'interazione di più fotoni in un singolo impulso di questo tipo con gli elettroni nel guscio orbitale interno di un atomo.

Per osservare il moto ultraveloce degli elettroni nei gusci interni degli atomi con brevi impulsi di luce, gli impulsi non devono essere solo ultracorti, ma molto luminoso, e i fotoni consegnati devono avere un'energia sufficientemente alta. Questa combinazione di proprietà è stata ricercata nei laboratori di tutto il mondo negli ultimi 15 anni. Fisici del Laboratorio di Fisica degli Attosecondi (LAP), una joint venture tra la Ludwig-Maximilians-Universität Munich (LMU) e il Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), sono ora riusciti a soddisfare le condizioni necessarie per raggiungere questo obiettivo. Nei loro ultimi esperimenti, sono stati in grado di osservare l'interazione non lineare di un impulso ad attosecondi con gli elettroni in uno dei gusci orbitali interni attorno al nucleo atomico. In tale contesto, il termine 'non lineare' indica che l'interazione coinvolge più di un fotone (in questo caso particolare ne sono coinvolti due). Questa svolta è stata resa possibile dallo sviluppo di una nuova sorgente di impulsi ad attosecondi. Un attosecondo dura esattamente un miliardesimo di miliardesimo di secondo.

La porta per osservare il movimento ultraveloce degli elettroni nel profondo degli atomi è stata aperta. I fisici del Laboratorio di fisica dell'attosecondo (LAP) della LMU di Monaco hanno sviluppato una tecnologia che consente loro di generare intensi impulsi di attosecondi. Questi impulsi possono essere utilizzati per seguire il movimento degli elettroni all'interno dei gusci interni degli atomi in tempo reale, congelando questo movimento a velocità dell'otturatore ad attosecondi.

La procedura sperimentale utilizzata per filmare gli elettroni in movimento utilizza l'approccio "pump-probe". Gli elettroni all'interno di un atomo bersaglio vengono prima eccitati da un fotone contenuto nell'impulso di pompa, che è poi seguito dopo un breve ritardo da un secondo fotone in un impulso di sonda. Quest'ultimo rivela essenzialmente l'effetto del fotone della pompa. Per attuare questa procedura, i fotoni devono essere così fitti che un singolo atomo all'interno del bersaglio può essere colpito da due fotoni in successione. Inoltre, se questi fotoni devono avere la possibilità di raggiungere i gusci elettronici interni, devono avere energie nell'estremità superiore dello spettro dell'ultravioletto estremo (XUV). Nessun gruppo di ricerca è mai riuscito a generare impulsi ad attosecondi con la densità di fotoni richiesta in questa regione spettrale.

La tecnologia che ora ha reso possibile questa impresa si basa sull'upscaling di sorgenti convenzionali di impulsi ad attosecondi. Un team guidato dal Prof. Laszlo Veisz ha sviluppato un nuovo laser ad alta potenza in grado di emettere raffiche di luce infrarossa, ciascuna composta da pochi cicli di oscillazione, che contengono 100 volte più fotoni per impulso rispetto ai sistemi convenzionali. Questi impulsi, a sua volta, consentono la generazione di impulsi isolati ad attosecondi di luce XUV contenenti 100 volte più fotoni rispetto alle sorgenti convenzionali ad attosecondi.

In una prima serie di esperimenti, gli impulsi ad attosecondi ad alta energia sono stati focalizzati su un flusso di gas xeno. I fotoni che interagiscono con un guscio interno di un atomo di xeno espellono elettroni da quel guscio e ionizzano l'atomo. Usando il cosiddetto microscopio ionico per rilevare questi ioni, gli scienziati sono stati in grado, per la prima volta, osservare l'interazione di due fotoni confinati in un impulso ad attosecondi con gli elettroni nei gusci orbitali interni di un atomo. In precedenti esperimenti ad attosecondi, è stato possibile osservare solo l'interazione degli elettroni del guscio interno con un singolo fotone XUV.

"Gli esperimenti in cui è possibile avere elettroni del guscio interno che interagiscono con due impulsi di attosecondi XUV sono spesso indicati come il Santo Graal della fisica degli attosecondi. Con due impulsi XUV, saremmo in grado di "filmare" il moto degli elettroni nei gusci atomici interni senza perturbarne la dinamica, "dice il dottor Boris Bergues, capofila del nuovo studio. Questo rappresenta un progresso significativo negli esperimenti ad attosecondi che coinvolgono l'eccitazione con un singolo fotone XUV ad attosecondi. In quegli esperimenti, lo stato risultante è stato "fotografato" con un impulso infrarosso più lungo, che di per sé ha avuto un'influenza significativa sul conseguente movimento degli elettroni.

"La dinamica degli elettroni nei gusci interni degli atomi è di particolare interesse, perché risultano da una complessa interazione tra molti elettroni che interagiscono tra loro, " come spiega Bergues. "Le dinamiche dettagliate risultanti da queste interazioni sollevano molte domande, che ora possiamo affrontare sperimentalmente utilizzando la nostra nuova sorgente ad attosecondi."

Nel passaggio successivo, i fisici pianificano un esperimento in cui risolveranno nel tempo l'interazione suddividendo l'impulso ad attosecondi ad alta intensità in impulsi separati di pompa e sonda.

La riuscita applicazione dell'ottica non lineare nel dominio degli attosecondi per sondare il comportamento degli elettroni nei gusci orbitali interni degli atomi apre le porte a una nuova comprensione delle complesse dinamiche multicorpo delle particelle subatomiche. La capacità di filmare il movimento degli elettroni in profondità all'interno degli atomi promette di rivelare molto su un regno misterioso che è rimasto nascosto.