Catturare fotogrammi di fotosintesi e altra ginnastica molecolare in azione significa raggiungere una velocità dell'otturatore che rende molto veloce l'aspetto, molto lento, così veloce che i fisici stanno proprio ora lavorando per raggiungerlo.

Qui sta un altro problema:anche quando lo gestiscono, potrebbero non saperlo. I fisici non possono osservare esattamente le molecole in movimento e confrontare ciò che catturano con ciò che vedono, come potrebbero con una foto digitale di una scena a livello macro. Tale è la vita quando si studiano molecole che si trasformano, scattano e ruotano in tempi così brevi da far sembrare i secondi miliardi di anni.

Ma Colton Fruhling dell'Università del Nebraska-Lincoln e colleghi dell'Extreme Light Laboratory hanno proposto una soluzione al secondo problema che potrebbe rivelarsi vitale ogni volta che i loro colleghi fisici riusciranno a risolvere completamente il primo.

Il primo di solito prevede di sparare grappoli di elettroni alle molecole, spesso mentre colpiscono le molecole con un laser per stimolare una reazione fotochimica, quindi misurare il modo in cui quegli elettroni si diffrangono dalle molecole. Insieme a abbondanti aiuti di teoria e matematica, quei modelli di diffrazione possono aiutare a discernere le posizioni degli atomi e le lunghezze dei legami che compongono le molecole, essenzialmente catturando fotogrammi di una reazione fotochimica che possono essere cuciti insieme in uno pseudo-film.

La durata di un corrispondente fascio di elettroni agisce fondamentalmente come l'equivalente fisico del laser della velocità dell'otturatore. Proprio come con una fotocamera digitale, che la velocità dell'otturatore deve corrispondere almeno alla velocità di un soggetto per catturarlo con una vera fedeltà. E sapere che la velocità dell'otturatore è essenziale per confermare la legittimità dei fotogrammi risultanti.

Ciò risulta essere difficile quando le reazioni chimiche di interesse si verificano in semplici femtosecondi o addirittura attosecondi. Un femtosecondo è paragonabile a un secondo come un secondo è paragonabile a circa 31 milioni di anni; per un attosecondo, sono circa 31 miliardi di anni, o circa il doppio dell'età stimata dell'universo.

I fisici hanno escogitato con successo metodi per misurare la durata dei fasci di elettroni che durano solo alcuni femtosecondi, ma non ad attosecondi, la velocità di 10 miliardi di volte con cui si verificano molte reazioni chimiche.

"Quindi devi avere un modo per misurare che stai (operando in) attosecondi, " disse Fruhling, un dottorando sulla buona strada per laurearsi entro la primavera del 2021. "Puoi vedere quanto velocemente si muove l'otturatore di una fotocamera, perché lo stai guardando. I nostri occhi sono abbastanza veloci per questo. Ma non puoi vedere un attosecondo.

"La gente vuole queste sorgenti di fasci di elettroni ad attosecondi, ma devono anche assicurarsi di caratterizzarli e assicurarsi che siano effettivamente ad attosecondi, quindi possiamo credere alla scienza che ne deriva."

Fruhling alla fine ha riconosciuto una potenziale soluzione sotto forma di diffusione Thomson, un fenomeno che l'Extreme Light Laboratory studia da anni. Nella versione lineare del fenomeno, un elettrone colpito dal laser alla fine emette luce alla stessa frequenza, o colore, come il laser stesso. Nella versione non lineare, il laser è abbastanza intenso che l'elettrone inizia a oscillare in traiettorie complesse a velocità prossime a quella della luce. Ciò spinge l'elettrone a emettere non solo il colore originale ma più lunghezze d'onda, o radiazioni a banda larga.

Fruhling stava codificando un modello per simulare quella versione non lineare quando ha iniziato a pensare a come utilizzarla. Sapeva che alcuni metodi usati per misurare i gruppi di femtosecondi si basano sul fatto che un'altra proprietà misurabile delle lunghezze d'onda, la coerenza, cambierà in base alla dimensione del gruppo di elettroni stesso.

La coerenza descrive fondamentalmente la misura in cui la frequenza, la forma e altri tratti distintivi delle onde si sincronizzano tra loro. È la coerenza che si traduce nella focalizzazione, raggio stretto di un laser e lo distingue dalle lunghezze d'onda incoerenti di altre sorgenti luminose. E succede che lunghezze d'onda più lunghe di un fascio di elettroni emettano coerentemente, simile a un laser, mentre quelli più corti del grappolo emetteranno incoerentemente.

Determinazione della dimensione del gruppo di elettroni e, per associazione, la sua durata, o velocità dell'otturatore, diventa quindi una questione di identificare la soglia di dimensione che separa le onde di luce coerenti e incoerenti. Sfortunatamente, lo scattering Thomson lineare non fornisce la giusta gamma di frequenze per misurare i fasci di elettroni ultracorti ma a velocità moderata necessari per studiare le reazioni ad attosecondi.

Ma se il modello di Fruhling è corretto, il non lineare, scattering a banda larga, il tipo che può essere generato da un ultra-intenso, laser calibrato con precisione:produce frequenze in quella gamma. E se così fosse, Egli ha detto, ciò lo renderebbe particolarmente adatto alla misurazione della durata di grappoli di attosecondi.

"Questo è l'unico metodo che conosco che può farlo, " disse Fruhling, che ha riportato la conclusione con Donald Umstadter e Grigory Golovin sulla rivista Physical Review Accelerators and Beams.

Fruhling non è arrivato facilmente al traguardo, dedicando più di tre anni alla scrittura di codice in grado di modellare la traiettoria e gli effetti di coerenza di ogni elettrone all'interno, dire, un 5, Grappolo da 000 elettroni, un livello di specificità ineguagliato da qualsiasi controparte che abbia incontrato. Ha anche finito per tradurre il codice in tre linguaggi di programmazione, perfezionando l'interfaccia per renderla utilizzabile nella più ampia gamma di condizioni possibile.

Ora deve solo aspettare che i colleghi fisici mettano alla prova la sua affermazione in laboratorio, e speriamo di verificarlo, producendo effettivamente fasci di elettroni che durano solo attosecondi.

"Non posso suonare il mio corno finché non è fatto sperimentalmente, " ha detto Fruhling. "Ma penso che potrebbe essere molto utile."