Gli ultimi decenni hanno visto notevoli progressi nelle tecnologie basate sul laser, che hanno portato a significativi progressi nella fisica atomica e molecolare. Lo sviluppo di impulsi laser ultracorti consente ora agli scienziati di studiare fenomeni estremamente veloci, come il trasporto di carica nelle molecole e le fasi elementari delle reazioni chimiche. Ma oltre a ciò, la nostra capacità di osservare tali processi sulla scala degli attosecondi (un quintilionesimo di secondo) significa che è anche possibile guidare e sondare la dinamica dei singoli elettroni sui loro tempi naturali.

Una delle tecnologie ultraveloci emergenti è la spettroscopia di assorbimento transitorio ad attosecondi (ATAS), che può tracciare il movimento degli elettroni in un sito specifico di una molecola. Questa è una caratteristica particolarmente interessante di ATAS, perché permette di tracciare l'evoluzione del sistema molecolare con risoluzione spaziale su scala atomica.

I laser moderni possono spingere la chimica in domini inesplorati delle interazioni luce-materia, dove il ruolo della teoria nell'interpretazione dei risultati delle misurazioni ATAS sarà più importante che mai. Ma così lontano, la teoria alla base di ATAS è stata sviluppata solo per atomi o per molecole sia in assenza di moto nucleare sia in assenza di coerenza elettronica.

Ora, un team di fisici del Laboratorio di Chimica Fisica Teorica (LCPT) dell'EPFL ha esteso la teoria ATAS alle molecole, compreso un resoconto completo della dinamica elettrone-nucleare correlata.

Il lavoro, in collaborazione con Alexander Kuleff dell'Università di Heidelberg, è pubblicato in Lettere di revisione fisica .

"Vi presentiamo una semplice espressione quasi analitica per la sezione trasversale di assorbimento delle molecole, che tiene conto del moto nucleare e delle dinamiche non adiabatiche ed è composto da termini fisicamente intuitivi, " dice Nikolay Golubev, un postdoc presso LCPT e l'autore principale dello studio.

Estendendo la teoria ATAS, gli scienziati mostrano anche che questa tecnica di spettroscopia ha una risoluzione sufficiente per "vedere" la successiva decoerenza del movimento degli elettroni causata dal riarrangiamento nucleare della molecola.

Mettere in pratica la teoria, il team ha testato come esempio l'acido propilico, una molecola poliatomica. "La simulazione dell'ATAS a raggi X dell'acido propilico è stata resa possibile combinando metodi ab initio di struttura elettronica di alto livello con un'efficiente dinamica nucleare semiclassica, "dice Jiří Vaníček, capo della LCPT. Avanzando la nostra conoscenza del moto correlato di elettroni e nuclei nelle molecole, i risultati dei ricercatori LCPT potrebbero anche aiutare la nostra comprensione di vari altri fenomeni di "attochimica".