Reazioni chimiche, come quelli che si verificano durante la carica e la scarica di una batteria, avvengono principalmente sulle superfici e sulle interfacce. Mentre è molto facile studiare i prodotti macroscopici di una reazione, è stato finora difficile ottenere un quadro più accurato del corso delle reazioni chimiche a livello atomico. Ciò richiede metodi di misurazione che consentano di effettuare osservazioni su scale temporali estremamente brevi su cui avvengono le reazioni chimiche.

In linea di principio, a questo scopo sono adatti metodi spettroscopici con impulsi laser molto brevi per la risoluzione temporale. Allo stesso tempo, la luce laser deve essere di lunghezza d'onda molto corta, come spiega il fisico Tobias Helk della Friedrich Schiller University Jena:"Per essere in grado di studiare in modo specifico i singoli elementi utilizzando la risonanza elettronica del nucleo, è necessaria una luce laser con una lunghezza d'onda di pochi nanometri, cioè radiazioni nell'estremo ultravioletto (XUV) o nella gamma dei raggi X dello spettro."

Per osservare i processi chimici, è anche importante essere in grado di studiare le interfacce tra i media e le superfici dei materiali dove avvengono le reazioni chimiche, aggiunge Helk. Oltre alle lunghezze d'onda corte e alle brevi durate, gli impulsi laser devono inoltre avere un'intensità estremamente elevata per poter provocare effetti non lineari, come vengono chiamati, che consentono di risalire all'interfaccia del segnale di misura.

Finora, però, ci sono pochissimi metodi per generare radiazioni laser così intense nella gamma XUV e raggi X. "Fino ad ora, questo è stato possibile solo in strutture di ricerca su larga scala come il laser a elettroni liberi FLASH presso DESY, " afferma il prof. Christian Spielmann dell'Istituto di ottica ed elettronica quantistica dell'Università di Jena. Tuttavia, lui e la sua squadra, insieme a ricercatori statunitensi e francesi, hanno ora trovato un modo per rendere possibili tali indagini in un laboratorio laser standard.

Raddoppio non lineare della frequenza su una superficie in titanio

A tal fine, come sorgente luminosa è stato utilizzato un laser a raggi X morbidi del Laboratoire d'Optique Appliquee di Palaisseau (Francia). "Nel nostro esperimento, abbiamo impostato una speciale geometria di messa a fuoco, costituito da uno specchio di forma ellittica che permette di concentrare la radiazione laser su un'area molto piccola, " dice il dottorando Helk, autore principale dello studio. La radiazione con una lunghezza d'onda di 32,8 nanometri è stata focalizzata su una lamina di titanio ultrasottile ed è stata analizzata la sua interazione non lineare con le particelle di materia.

"Come è già noto da studi con radiazioni nel campo del visibile e dell'infrarosso, la luce con nuove proprietà può essere generata attraverso l'interazione di particelle di luce e particelle di materia, " spiega Helk. In un processo noto come raddoppio non lineare della frequenza (o generazione della seconda armonica), Per esempio, due fotoni della luce irradiata vengono assorbiti dal materiale e viene emesso un fotone con frequenza doppia (il doppio dell'energia).

Ed è proprio questo effetto che i ricercatori hanno potuto dimostrare. Con uno spettrometro, hanno separato la radiazione risultante dall'interazione con la lamina di titanio e l'hanno registrata utilizzando una telecamera. Confrontando le simulazioni con i risultati delle misurazioni, sono stati anche in grado di dimostrare che la radiazione risultante ha origine sulla superficie della lamina di titanio e non all'interno del materiale.

"Essere in grado di eseguire questa forma di spettroscopia di superficie nella gamma XUV su scala di laboratorio apre prospettive completamente nuove. Ad esempio, i processi chimici sulle superfici o alle interfacce nascoste possono ora essere studiati dalla prospettiva di un singolo atomo in ambienti chimici altrimenti complessi, " afferma il prof. Michael Zürch dell'Università della California, descrivere il significato del risultato. Per di più, la breve durata degli impulsi utilizzati consente l'indagine di processi dinamici alle interfacce, come quelli che si verificano durante la carica e la scarica delle batterie.