Un team guidato dal Prof. Dr. Frank Stienkemeier e dal Dr. Lukas Bruder dell'Istituto di Fisica dell'Università di Friburgo è riuscito a osservare in tempo reale le interferenze quantistiche ultraveloci, in altre parole i modelli di oscillazione, degli elettroni che si trovano in i gusci atomici di atomi di gas rari. Sono riusciti a osservare oscillazioni con un periodo di circa 150 attosecondi:un attosecondo è un miliardesimo di miliardesimo di secondo. A tal fine, gli scienziati hanno eccitato atomi di gas rari con impulsi laser appositamente preparati. Quindi hanno monitorato la risposta degli atomi con una nuova tecnica di misurazione che ha permesso loro di studiare gli effetti della meccanica quantistica negli atomi e nelle molecole a una risoluzione temporale estremamente elevata. I ricercatori presentano i loro risultati nell'ultima edizione di Comunicazioni sulla natura .

Numerose reazioni chimiche, come la rottura dei legami nelle molecole, sono innescati dall'assorbimento della luce. Nel primo istante dopo l'assorbimento, la distribuzione degli elettroni nel guscio atomico cambia, influenzando significativamente il successivo corso della reazione. Questa alterazione avviene con estrema rapidità; i tempi raggiungono l'intervallo degli attosecondi. Tecnologie spettroscopiche precedentemente utilizzate, che utilizzano impulsi laser visibili, non sono abbastanza veloci per tenere traccia di tali processi. Pertanto, i ricercatori di tutto il mondo stanno attualmente sviluppando sorgenti laser innovative e adeguate tecnologie spettroscopiche nelle gamme ultraviolette e dei raggi X.

Il team di Stienkemeier ha esteso una tecnologia nota dalla gamma dello spettro visibile, spettroscopia a pompa coerente, nella gamma dell'ultravioletto. Questa è la gamma spettrale tra la radiazione dei raggi X e la luce ultravioletta. Per fare questo, gli scienziati hanno preparato una sequenza di due impulsi laser ultracorti nella gamma estrema dell'ultravioletto presso il laser a elettroni liberi FERMI di Trieste, Italia. Gli impulsi erano separati da un intervallo di tempo definito con precisione e avevano una relazione di fase precisa l'uno con l'altro. Il primo impulso avvia il processo nel guscio elettronico (processo a pompa). Il secondo impulso sonda lo stato del guscio elettronico in un punto successivo (processo sonda). Alterando l'intervallo di tempo e la relazione di fase, i ricercatori potrebbero trarre conclusioni sullo sviluppo temporale nel guscio di elettroni. "La sfida più grande era ottenere un controllo preciso sulle proprietà dell'impulso e isolare i segnali deboli, " spiega Andreas Wituschek, che era responsabile della procedura sperimentale.

I fisici di Friburgo studiarono il raro gas argon, fra gli altri. Nell'argon l'impulso-pompa provoca una configurazione speciale di due elettroni all'interno del guscio atomico:questa configurazione si disintegra, con un elettrone che lascia l'atomo in un tempo molto breve e l'atomo alla fine rimane indietro come uno ione. I ricercatori sono riusciti per la prima volta ad osservare l'immediato decadimento temporale dell'interferenza quantistica, come un elettrone ha lasciato l'atomo. "Questo esperimento apre la strada a molte nuove applicazioni nello studio dei processi atomici e molecolari dopo la stimolazione selettiva con radiazioni ad alta energia nella gamma estrema dell'ultravioletto, "dice Bruder.