Le reazioni chimiche sono determinate al loro livello più fondamentale dalla loro rispettiva struttura elettronica e dinamica. Guidato da uno stimolo come l'irradiazione luminosa, gli elettroni si riorganizzano in liquidi o solidi. Questo processo richiede solo poche centinaia di attosecondi, per cui un attosecondo è la miliardesima parte di un miliardesimo di secondo. Gli elettroni sono sensibili ai campi esterni, così i ricercatori possono controllarli facilmente irradiando gli elettroni con impulsi luminosi. Non appena modellano così temporalmente il campo elettrico di un impulso ad attosecondi, i ricercatori possono controllare la dinamica elettronica in tempo reale. Un team guidato dal Prof. Dr. Giuseppe Sansone dell'Istituto di Fisica dell'Università di Friburgo mostra nella rivista scientifica Nature come sono stati in grado di modellare completamente la forma d'onda di un impulso ad attosecondi.

"Questi impulsi ci permettono di studiare il primo momento della risposta elettronica in una molecola o in un cristallo, " spiega Sansone. "La capacità di modellare il campo elettrico ci consente di controllare i movimenti elettronici, con l'obiettivo a lungo termine di ottimizzare i processi di base come la fotosintesi o la separazione di carica nei materiali".

Il gruppo, composto da teorici e fisici sperimentali di istituti di ricerca negli Stati Uniti, Russia, Germania, Italia, Austria, Slovenia, Ungheria, Giappone e Svezia, hanno condotto il loro esperimento presso il laser a elettroni liberi (FEL) FERMI a Trieste/Italia. Questo laser è l'unico che offre la capacità unica di sintetizzare radiazioni con diverse lunghezze d'onda nella gamma spettrale dell'ultravioletto estremo con fasi relative completamente controllabili.

L'impulso ad attosecondi risulta dalla sovrapposizione temporale delle armoniche laser. Gli scienziati hanno generato gruppi di quattro armoniche laser di una lunghezza d'onda fondamentale utilizzando gli ondulatori disponibili presso FERMI. Questi sono dispositivi tecnici, che guidano il moto di un fascio di elettroni relativistici, portando così alla produzione di radiazioni ultraviolette. Una delle principali sfide dell'esperimento è stata la misurazione di queste fasi relative, che sono stati caratterizzati dall'acquisizione dei fotoelettroni rilasciati dagli atomi di neon dalla combinazione degli impulsi ad attosecondi e un campo infrarosso. Questo porta a strutture aggiuntive negli spettri elettronici, comunemente chiamate bande laterali. Gli scienziati hanno misurato la correlazione tra le diverse bande laterali generate per ogni colpo laser. Questo ha finalmente permesso loro di caratterizzare completamente il treno di impulsi ad attosecondi.

"I nostri risultati indicano non solo che i FEL possono produrre impulsi ad attosecondi, "dice Sansone, "ma, a causa dell'approccio implementato per la generazione della forma d'onda, tali impulsi sono completamente controllabili e raggiungono intensità di picco elevate. Questi due aspetti rappresentano i vantaggi chiave del nostro approccio. I risultati influenzeranno anche la pianificazione e la progettazione di nuovi laser a elettroni liberi in tutto il mondo".