Praticamente tutti i processi chimici vitali avvengono in soluzioni acquose. In tali processi, un ruolo decisivo è svolto dagli elettroni che vengono scambiati tra diversi atomi e molecole e quindi, ad esempio, creano o rompono legami chimici. I dettagli di come ciò avvenga, tuttavia, sono difficili da indagare poiché quegli elettroni si muovono molto velocemente.

I ricercatori dell'ETH di Zurigo guidati da Hans Jakob Wörner, professore di chimica fisica, in collaborazione con i colleghi del Lawrence Berkeley National Laboratory (U.S.) sono ora riusciti a studiare la dinamica degli elettroni in ammassi formati da molecole d'acqua con una risoluzione temporale di pochi attosecondi. I loro risultati sono apparsi di recente come pubblicazione anticipata sulla rivista scientifica Nature .

Ritardo nella ionizzazione

Nei loro esperimenti, gli scienziati hanno studiato come gli ammassi d'acqua vengono ionizzati da un breve impulso laser nell'ultravioletto estremo. A tal fine, i grappoli vengono prima creati spremendo il vapore acqueo attraverso un minuscolo ugello ad alta pressione. L'energia dei fotoni ultravioletti estremi dell'impulso laser provoca quindi il rilascio di un elettrone dell'ammasso. Questo porta a un posto vacante noto anche come "buco".

Il rilascio dell'elettrone, tuttavia, non avviene immediatamente dopo l'arrivo dell'impulso, ma piuttosto dopo un breve ritardo. Tale ritardo dipende da come il buco dell'elettrone è distribuito attraverso le molecole del cluster. "Finora la distribuzione del buco poteva essere calcolata solo in teoria, poiché il ritardo è troppo breve per essere misurato con i metodi tradizionali", spiega Xiaochun Gong, il post-dottorato responsabile del progetto.

Risoluzione in attosecondi con due impulsi laser

Il ritardo in realtà dura solo pochi attosecondi, o pochi miliardesimi di miliardesimo di secondo. Per apprezzare quanto sia breve un attosecondo, si può fare il seguente confronto:il numero di attosecondi in un singolo secondo è all'incirca il numero di secondi in 32 miliardi di anni.

Per poter misurare i brevissimi periodi di pochi attosecondi, Wörner ei suoi collaboratori hanno diviso un impulso laser infrarosso molto intenso in due parti, una delle quali è stata convertita nell'ultravioletto estremo mediante moltiplicazione di frequenza in un gas nobile. Hanno sovrapposto i due impulsi e hanno puntato entrambi verso i gruppi d'acqua.

L'impulso infrarosso ha modificato l'energia degli elettroni espulsi dall'impulso laser ultravioletto. La fase oscillatoria dell'impulso laser a infrarossi potrebbe essere sintonizzata in modo molto preciso utilizzando un interferometro. Il numero di eventi di ionizzazione, misurati con l'ausilio di rivelatori, variava a seconda della fase oscillatoria. Da queste misurazioni, a loro volta, i ricercatori potrebbero quindi leggere direttamente il ritardo di ionizzazione.

"Dato che siamo stati in grado di determinare la dimensione del cluster d'acqua originale per ogni evento di ionizzazione utilizzando uno spettrometro di massa, abbiamo potuto dimostrare che il ritardo dipende dalle dimensioni del cluster", afferma Saijoscha Heck, Ph.D. studente nel gruppo di Wörner. Fino a una dimensione del cluster di quattro molecole d'acqua, il ritardo aumenta costantemente fino a circa cento attosecondi. Per cinque o più molecole d'acqua, invece, rimane praticamente costante. Ciò è correlato all'alto grado di simmetria esibito dai piccoli ammassi, che consente al buco dell'elettrone di diffondersi nell'intero ammasso secondo le regole della meccanica quantistica. Al contrario, i cluster lager sono piuttosto asimmetrici e disordinati e quindi il buco si localizza su poche molecole d'acqua.

Applicazioni anche nella tecnologia dei semiconduttori

"Con queste misurazioni ad attosecondi abbiamo aperto opportunità di ricerca completamente nuove", afferma Wörner. Sta già pianificando esperimenti di follow-up in cui vuole risolvere la dinamica del buco dell'elettrone sia spazialmente che temporalmente utilizzando impulsi laser aggiuntivi. Tra le altre cose, Wörner spera che ciò porti a una migliore comprensione di come si sviluppa il danno da radiazioni nei tessuti biologici, dato che la ionizzazione dell'acqua gioca un ruolo dominante in tale processo.

Ma Wörner vede anche varie possibili applicazioni oltre alla ricerca sulla dinamica degli elettroni nell'acqua. Ad esempio, per realizzare componenti elettronici più veloci è indispensabile una profonda comprensione dell'estensione spaziale degli stati di elettroni e lacune e della loro evoluzione nel tempo. Qui la nuova tecnica sviluppata dai ricercatori dell'ETH potrebbe essere estremamente utile. + Esplora ulteriormente

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