Resa protonica misurata dei due processi di frammentazione molecolare ADT ed EI (sfumato blu e rosso) in funzione del ritardo della pompa-sonda rispetto al calcolo del modello teorico (linea blu e rossa). Credito:MPI per la fisica nucleare
Utilizzando un nuovo metodo, i fisici dell'Istituto Max Planck di Heidelberg per la fisica nucleare hanno studiato in dettaglio la frammentazione ultraveloce delle molecole di idrogeno in intensi campi laser. Hanno usato la rotazione della molecola innescata da un impulso laser come un "orologio interno" per misurare i tempi della reazione che ha luogo in un secondo impulso laser in due fasi. Tale "orologio di rotazione" è un concetto generale applicabile ai processi di frammentazione sequenziale in altre molecole.
In che modo una molecola si rompe in un campo laser intenso e quali processi sequenziali avvengono con quale velocità? I fisici dell'Istituto Max Planck di Heidelberg per la fisica nucleare hanno studiato questa domanda in collaborazione con un gruppo di ricerca di Ottawa in Canada con un nuovo metodo, studiando l'esempio della molecola di idrogeno H 2 . Per fare questo, utilizzano lampi laser estremamente brevi dell'ordine dei femtosecondi (fs, un milionesimo di miliardesimo di secondo). Tali impulsi laser svolgono anche un ruolo chiave nel controllo delle reazioni molecolari, in quanto influenzano direttamente la dinamica degli elettroni responsabili del legame chimico.
Se una molecola di idrogeno (H 2 ) è esposto a un forte flash laser infrarosso (lunghezza d'onda di 800 nm) di pochi 10 14 l/cm 2 intensità, il campo elettrico del laser strappa prima uno dei due elettroni. Più di 10 fotoni vengono assorbiti contemporaneamente in questo processo di ionizzazione. Il rimanente ione molecolare H 2 + con un solo elettrone non è più in equilibrio e si stira per la repulsione dei due protoni. Assorbendo ulteriori fotoni, può rompersi in un protone (H + ) e un atomo di idrogeno neutro (H). Questa reazione è chiamata dissociazione sopra la soglia (ATD). Se lo ione molecolare viene allungato ulteriormente fino a una distanza nucleare di pochi raggi atomici, l'elettrone rimanente può assorbire energia in modo risonante dal campo laser, come in una piccola antenna, e alla fine viene anche rilasciato. Questo meccanismo è chiamato ionizzazione potenziata (EI). Porta alla "esplosione di Coulomb" dei due protoni che respingono.
Processi distinti per la loro energia cinetica
I ricercatori studiano questi processi nel laboratorio laser del Max Planck Institute for Nuclear Physics utilizzando un microscopio a reazione, che permette di rilevare tutti i frammenti carichi (protoni, elettroni) dopo la rottura della molecola. Gli impulsi laser a femtosecondi sono focalizzati su un sottile raggio supersonico di molecole di idrogeno per ottenere l'intensità desiderata. I protoni dei processi ATD ed EI possono essere distinti tramite la loro energia cinetica.
Ovviamente, L'EI richiede un po' più di tempo rispetto all'ATD, ma quanto può essere misurato? Qui, sorge un problema poiché l'impulso laser deve durare abbastanza a lungo (circa 25 fs) per avviare questi processi, ma deve essere sufficientemente breve da estrarre informazioni precise sull'ora (pochi fs). Poiché questo non può essere realizzato in un singolo impulso laser, i ricercatori hanno usato il seguente trucco:in linea di principio, ogni molecola possiede una sorta di 'orologio interno' poiché può essere stimolata a ruotare.
Un primo impulso di pompa (leggermente più debole) eccita la rotazione molecolare, seguito con un ritardo di tempo variabile da un secondo impulso della sonda (leggermente più forte) che innesca la frammentazione (ATD o EI). Entrambi i processi sono sensibili all'orientamento dell'asse molecolare rispetto al piano in cui oscilla il campo elettrico:sono più probabili per l'orientamento parallelo. I due impulsi laser sono polarizzati linearmente perpendicolarmente l'uno all'altro per separare gli eventi di frammentazione dal primo impulso.
Un approccio generale al controllo della dinamica molecolare
La resa sperimentale degli eventi ATD e EI mostra un aumento e una diminuzione quasi regolari, corrispondente alla rotazione della molecola. Ad un'analisi più attenta, però, un leggero ritardo di ca. Si osserva 5,5 fs per EI rispetto ad ATD. Questo è il tempo tipico che lo ione molecolare ha bisogno di allungare fino a quando l'elettrone si accoppia in modo risonante al campo laser. Utilizzando i calcoli del modello teorico, ulteriori dettagli possono essere estratti e i risultati sperimentali sono riprodotti molto bene. L'esperimento è stato condotto anche con l'isotopo più pesante deuterio (D 2 ). Qui, il ritardo risulta essere di ca. 6.5 f. Questo è leggermente inferiore al valore atteso in base al rapporto di massa (fattore √2). Il motivo è il movimento più lento di D 2 + , che raggiunge la regione EI dopo ca. 20 fs:per questo, non c'è abbastanza tempo durante un impulso laser di 25 fs.
Il metodo di un orologio di rotazione può, in linea di principio, essere applicato a simili reazioni a più stadi in altre molecole e quindi forse costituisce anche la base per un approccio generale al controllo della dinamica molecolare.
