In uno studio ad attosecondi della molecola H2, i fisici dell'ETH di Zurigo hanno scoperto che per i nuclei atomici leggeri, come contenuto nella maggior parte delle molecole organiche e biologiche, la correlazione tra moti elettronici e nucleari non può essere ignorata.

L'obiettivo principale della scienza degli attosecondi è comprendere le dinamiche dei sistemi quantomeccanici sulla loro scala temporale naturale. molecole, sono tra i sistemi più interessanti da indagare, con un grado di complessità molto elevato, in particolare rispetto ai sistemi atomici. I pochi esperimenti ad attosecondi eseguiti su molecole fino ad oggi hanno fornito preziose informazioni sulla dinamica degli elettroni. In questi studi, si presumeva che la dinamica dei nuclei attorno ai quali si evolvono gli elettroni fosse "congelata, " dato che i nuclei sono molto più pesanti degli elettroni e quindi si muovono più lentamente. Tuttavia, anche in regime di attosecondi, l'approssimazione che il movimento elettronico e nucleare siano disaccoppiati l'uno dall'altro è spesso ingiustificato. In particolare, in molecole composte da specie atomiche leggere, il moto nucleare può essere veloce quanto la dinamica degli elettroni, determinando un forte accoppiamento tra i due.

Un team guidato dalla Dott.ssa Laura Cattaneo e dalla Prof.ssa Ursula Keller del Dipartimento di Fisica dell'ETH di Zurigo ha ora studiato la più leggera e la più piccola di tutte le molecole, H2, e ha esplorato cosa succede quando si verificano movimenti nucleari ed elettronici su una scala temporale comparabile. Come riportano in un articolo pubblicato oggi su Fisica della natura , hanno scoperto che nelle molecole, i ritardi di ionizzazione possono dipendere significativamente dall'energia cinetica sia del fotoelettrone che dei nuclei. (I ritardi di ionizzazione sono il tempo che intercorre tra l'assorbimento di un fotone e l'emissione di un elettrone durante la fotoionizzazione.) Questa scoperta estende il concetto di ritardi di ionizzazione introdotto per i sistemi atomici. Le variazioni dei ritardi di ionizzazione con l'energia cinetica nucleare possono essere grandi quanto le variazioni con l'energia cinetica elettronica. Ciò implica che ogni volta che gli atomi leggeri sono coinvolti nel processo di ionizzazione molecolare, il pacchetto di onde di elettroni in uscita non può essere districato dal pacchetto di onde nucleari.

Queste misurazioni alla scala temporale degli attosecondi si basano su un approccio sperimentale sviluppato in precedenza nel gruppo Keller. Nell'apparato cosiddetto AttoCOLTRIMS (vedi figura), la metrologia ad attosecondi è combinata con la tecnica di imaging COLTRIMS, in cui si possono registrare le proprietà correlate dei frammenti di una reazione molecolare. Questa capacità sperimentale è stata combinata con una teoria ab initio quasi esatta, eseguita da collaboratori dell'Universidad Autonoma de Madrid (Spagna), per descrivere sia i moti elettronici che quelli nucleari, anche l'accoppiamento tra di loro.

Il significato di questo lavoro va ben oltre la semplice molecola di H2. Gli atomi di idrogeno sono presenti nella maggior parte delle molecole organiche e biologicamente rilevanti. La comprensione degli effetti e dei contributi dell'elettrone accoppiato e delle dinamiche nucleari presenti in tali sistemi dovrebbe quindi fornire un'intuizione fondamentale che sarà importante in vari campi di ricerca.