(a) Diagramma schematico della generazione di radiazione di sincrotrone da parte degli ondulatori. L'ampiezza temporale degli impulsi di radiazione è determinata dall'allargamento spaziale dei fasci di elettroni. (b) L'impulso di radiazione contiene molte onde corte (pacchetti d'onde) emesse da singoli elettroni. In questo studio, due ondulatori sono disposti in serie per generare coppie di pacchetti d'onda. Ogni pacchetto d'onda oscilla solo 10 volte in 2 femtosecondi. Gli intervalli di tempo delle coppie di pacchetti d'onda vengono regolati deviando i fasci di elettroni con un magnete tra i due ondulatori. Credito:NINS/IMS
Scienziati in Giappone hanno osservato e interferito con il movimento ultraveloce del movimento degli elettroni all'interno di un atomo di xeno utilizzando le coppie coerenti di onde luminose corte nella radiazione di sincrotrone. Xeno, costituito da un nucleo circondato da cinque gusci annidati contenenti un totale di 54 elettroni, viene utilizzato nelle lampade flash, e brucia luminoso e veloce. Gli elettroni luminescenti si muovono lì su una scala temporale di un miliardesimo di secondo. Il rapido movimento degli elettroni è tuttavia sei ordini di grandezza più lento di quanto osservato dagli scienziati. Utilizzando l'impianto di sincrotrone presso l'Institute for Molecular Science, hanno seguito il movimento dell'elettrone in rilassamento per liberare energia facendo cadere da un guscio esterno a un guscio interno. Il processo avviene in una scala temporale di femtosecondi, o un milionesimo di miliardesimo di secondo. Un femtosecondo sta a un secondo come un secondo sta a quasi 32 milioni di anni. La capacità di osservare e controllare tali processi ultraveloci potrebbe aprire la porta a esperimenti e applicazioni di prossima generazione, secondo i ricercatori.
I risultati sono stati pubblicati il 17 marzo in Lettere di revisione fisica .
"Controllare e sondare il movimento elettronico in atomi e molecole sulla loro scala temporale naturale di attosecondi, che è un millesimo di femtosecondo, è una delle frontiere della fisica atomica e della fisica degli attosecondi, ", ha affermato l'autore dell'articolo Tatsuo Kaneyasu, ricercatore presso la SAGA Light Source, Centro di ricerca sulla luce di sincrotrone di Kyushu in Giappone. "In questo studio, abbiamo dimostrato che i processi ultracorti negli atomi e nelle molecole possono essere monitorati utilizzando la proprietà ultracorta del pacchetto di onde di radiazione".
I recenti progressi nella tecnologia laser ci consentono di produrre in modo ultrarapido, o ultracorto, doppi impulsi luminosi che possono interagire con i processi subatomici. Questa interferenza può essere controllata regolando con precisione il tempo tra ogni impulso. L'impulso eccita gli elettroni, il cui moto è detto pacchetto di onde elettroniche. Kaneyasu e il suo team hanno ottenuto questa tecnologia utilizzando la radiazione di sincrotrone che ha un grande vantaggio nel generare fotoni di energia più elevata rispetto a quelli dei laser.
Il pannello superiore mostra l'intensità della fluorescenza dagli stati eccitati del guscio interno degli atomi di xeno misurati con intervalli di tempo variabili delle coppie di pacchetti d'onda. I pannelli inferiori mostrano viste ingrandite nelle posizioni aeb nel pannello superiore. Si osservano fluttuazioni con un periodo di 63 attosecondi dovute all'effetto di interferenza tra gli stati quantistici eccitati dalle coppie di pacchetti d'onda. All'aumentare dell'intervallo di tempo tra i due pacchetti d'onda in una coppia, l'ampiezza della fluttuazione decade a causa del rilassamento elettronico degli stati eccitati del guscio interno. Credito:NINS/IMS
"Questo metodo, denominata 'interferometria a pacchetti d'onda, " è ormai uno strumento fondamentale per studiare e manipolare la dinamica quantistica della materia, "Kaneyasu ha detto. "In questo studio, il pacchetto di onde di elettroni è stato prodotto sovrapponendo alcuni stati elettronici in un atomo di xeno."
Proprio come due raggi sovrapposti che producono una luce più intensa di quella che emanano singolarmente, due pacchetti di onde di elettroni sovrapposti producono effetti quantistici.
"L'obiettivo finale è controllare e sondare il movimento elettronico ultraveloce di un'ampia gamma di elementi, non solo negli atomi e nelle molecole in fase gassosa ma anche nelle materie condensate, " ha detto Kaneyasu. "Questa nuova capacità della radiazione di sincrotrone non solo aiuta gli scienziati a studiare i fenomeni ultraveloci nei processi atomici e molecolari, ma potrebbe anche aprire nuove applicazioni nello sviluppo di materiali funzionali e dispositivi elettronici in futuro."
