Nell'effetto fotoelettrico, un fotone espelle un elettrone da un materiale. I ricercatori dell'ETH hanno ora utilizzato impulsi laser ad attosecondi per misurare l'evoluzione temporale di questo effetto nelle molecole. Dai loro risultati possono dedurre la posizione esatta di un evento di fotoionizzazione.

Quando un fotone colpisce un materiale, può espellere un elettrone da esso purché abbia energia sufficiente. Albert Einstein ha trovato la spiegazione teorica di questo fenomeno, noto come effetto fotoelettrico, a Berna durante il suo "anno delle meraviglie" 1905. Quella spiegazione fu un contributo cruciale allo sviluppo della meccanica quantistica, che all'epoca era in corso, e gli è valso il Premio Nobel per la fisica nel 1921. Un team internazionale di fisici guidati da Ursula Keller presso l'Institute for Quantum Electronics dell'ETH di Zurigo ha ora aggiunto una nuova dimensione allo studio sperimentale di questo importante effetto. Utilizzando impulsi laser ad attosecondi sono stati in grado di misurare una minuscola differenza di tempo nell'espulsione dell'elettrone da una molecola a seconda della posizione dell'elettrone all'interno della molecola.

"Per un pò di tempo, le persone hanno studiato l'evoluzione temporale dell'effetto fotoelettrico negli atomi", dice Ph.D. studentessa Jannie Vos, "ma molto poco è stato finora pubblicato sulle molecole". Ciò è dovuto principalmente al fatto che le molecole sono considerevolmente più complesse dei singoli atomi. In un atomo, l'elettrone più esterno che si muove intorno al nucleo atomico è essenzialmente catapultato fuori dalla sua orbita. In una molecola, al contrario, due o più nuclei condividono lo stesso elettrone. La posizione in cui si trova dipende dall'interazione tra i diversi potenziali attrattivi. Solo ora è possibile studiare in dettaglio come avviene esattamente l'effetto fotoelettrico in tali condizioni.

Fare così, Keller e i suoi collaboratori hanno usato molecole di monossido di carbonio, che consistono di due atomi:un atomo di carbonio e uno di ossigeno. Quelle molecole sono state esposte a un impulso laser ultravioletto estremo che è durato solo pochi attosecondi. (Un attosecondo è la miliardesima parte di un miliardesimo di secondo). L'energia dei fotoni ultravioletti ha strappato un elettrone dalle molecole, che successivamente si scinde nei loro atomi costituenti. Uno di quegli atomi si è trasformato in uno ione caricato positivamente nel processo. Utilizzando uno strumento speciale, i ricercatori hanno quindi misurato le direzioni in cui gli elettroni e gli ioni sono volati via. Un secondo impulso laser, che agiva come una specie di metro, ha anche permesso loro di determinare l'istante preciso in cui l'elettrone ha lasciato la molecola.

"In questo modo abbiamo potuto, per la prima volta, per misurare il cosiddetto ritardo temporale Stereo Wigner, " spiega Laura Cattaneo, che lavora come ricercatore post-dottorato nel gruppo di Keller. Il ritardo temporale stereo Wigner misura quanto prima o dopo un elettrone lascia la molecola se si trova vicino all'atomo di ossigeno o all'atomo di carbonio quando si verifica la fotoionizzazione. Gli impulsi laser estremamente brevi consentono di misurare quell'istante entro pochi attosecondi. Da quelle informazioni, a sua volta, è possibile determinare la posizione dell'evento di ionizzazione all'interno della molecola entro un decimo di nanometro. I risultati sperimentali concordano bene con le previsioni teoriche che descrivono la posizione più probabile di un elettrone al momento della fotoionizzazione.

Prossimo, i ricercatori dell'ETH vogliono dare un'occhiata più da vicino alle molecole più grandi, iniziando con il gas esilarante N2O. L'atomo in più in quella molecola rende già un po' più difficile la descrizione teorica, ma allo stesso tempo i fisici sperano di ottenere nuove intuizioni, per esempio nella cosiddetta migrazione di carica all'interno delle molecole, che svolge un ruolo importante nel processo chimico.

In linea di principio dovrebbe anche essere possibile utilizzare impulsi laser ad attosecondi non solo per studiare quei processi, ma anche per guidarli deliberatamente e quindi controllare in dettaglio le reazioni chimiche. Proprio adesso, però, tale atto-chimica è ancora molto lontana, come sottolinea Jannie Vos:"In teoria è tutto molto eccitante, ma molto resta da fare prima di arrivarci".