Nel 1921, Albert Einstein ha ricevuto il Premio Nobel per la fisica per la scoperta che la luce è quantizzata, interagiscono con la materia come un flusso di particelle chiamate fotoni. Da questi primi giorni della meccanica quantistica, i fisici sapevano che anche i fotoni possiedono quantità di moto. La capacità del fotone di trasferire la quantità di moto è stata utilizzata in un nuovo approccio dagli scienziati del Max Born Institute, Università di Uppsala e European X-ray Free-Electron Laser Facility per osservare un processo fondamentale nell'interazione dei raggi X con gli atomi. I risultati sperimentali e teorici dettagliati sono riportati nella rivista Scienza .

L'assorbimento e l'emissione di fotoni da parte degli atomi sono processi fondamentali dell'interazione della luce con la materia. Molto più rari sono i processi in cui più fotoni interagiscono simultaneamente con un atomo. La disponibilità di fasci laser intensi dagli anni '60 ha portato allo sviluppo di ottiche non lineari per l'osservazione e lo sfruttamento di tali processi.

Emergono possibilità completamente nuove se è possibile utilizzare l'ottica non lineare con i raggi X al posto della luce visibile. L'uso di lampi ultracorti di raggi X consente una visione dettagliata del movimento degli elettroni e dei nuclei atomici nelle molecole e nei solidi. Questa prospettiva è stata uno dei driver che hanno portato alla costruzione di laser a raggi X basati su acceleratori di particelle in diversi paesi. Quando il laser a elettroni liberi a raggi X europeo XFEL è entrato in funzione nel 2017, la comunità scientifica ha compiuto un passo importante in quella direzione. Tuttavia, i progressi nell'uso dei processi a raggi X non lineari per studiare l'interazione fondamentale con la materia sono stati più lenti del previsto. "Tipicamente, i processi lineari molto più forti occludere gli interessanti processi non lineari, " afferma il prof. Ulli Eichmann dell'Istituto Max Born per l'ottica non lineare e la spettroscopia a breve impulso di Berlino.

Il team di ricerca tedesco-svedese ha ora dimostrato un nuovo metodo per osservare i processi non lineari senza essere disturbato dai processi lineari. A tal fine, il team ha sfruttato la quantità di moto che viene trasferita tra i raggi X e gli atomi. Quando si incrocia un raggio atomico supersonico con il raggio di raggi X, possono identificare quegli atomi che hanno subito il cosiddetto processo di diffusione Raman stimolato, un processo non lineare fondamentale per cui due fotoni di lunghezze d'onda diverse colpiscono un atomo e due fotoni di lunghezza d'onda maggiore lasciano l'atomo. I risultati sono stati riportati sulla rivista Scienza .

"I fotoni trasferiscono la quantità di moto a un atomo, completamente analogo a una palla da biliardo che ne colpisce un altro, " spiega Eichmann. Nel processo Raman stimolato, entrambi i fotoni lasciano l'atomo esattamente nella stessa direzione dei due fotoni incidenti, quindi la quantità di moto dell'atomo e la sua direzione di volo rimangono sostanzialmente invariate. I processi lineari molto più frequenti, dove un fotone viene assorbito seguito dall'emissione di un altro fotone, hanno una firma diversa:poiché il fotone emesso viene tipicamente emesso in una direzione diversa, l'atomo sarà deviato. Osservando la direzione degli atomi, gli scienziati potevano così distinguere chiaramente il processo Raman stimolato da altri processi.

"Il nuovo metodo apre possibilità uniche se combinato in futuro con due impulsi a raggi X ritardati di diverse lunghezze d'onda. Tali modelli di impulsi sono recentemente diventati disponibili presso i laser a raggi X come l'XFEL europeo, " spiega il dottor Michael Meyer, ricercatore presso l'European XFEL.

Poiché gli impulsi a raggi X con diverse lunghezze d'onda consentono ai ricercatori di affrontare in modo specifico atomi particolari in una molecola, è possibile osservare in dettaglio come evolvono nel tempo le funzioni d'onda degli elettroni nelle molecole. A lungo termine, gli scienziati sperano non solo di osservare questa evoluzione, ma per influenzarlo tramite impulsi laser su misura. "Il nostro approccio consente una migliore comprensione delle reazioni chimiche su scala atomica e può aiutare a guidare le reazioni nella direzione desiderata. Poiché il movimento degli elettroni è il passaggio essenziale nelle reazioni chimiche e fotochimiche che si verificano ad esempio nelle batterie e nelle celle solari, il nostro approccio può fornire nuove informazioni anche in tali processi, "dice Jan-Erik Rubensson, professore all'Università di Uppsala.