Sono ovunque, intorno a noi e dentro di noi. I fenomeni che durano trilionesimi di secondo costituiscono il nucleo della chimica e della biologia. Solo di recente abbiamo iniziato a provare a registrare accuratamente il loro corso effettivo, con discreto successo. Tuttavia, i fisici di Cracovia hanno dimostrato che è possibile costruire la nuova finestra sul mondo dell'attofisica, offrendo una visione molto promettente.

Sia nelle profondità di una cellula che all'interno di una provetta, le reazioni chimiche che coinvolgono cambiamenti nella configurazione degli elettroni negli atomi e nelle molecole avvengono con notevole velocità. La loro prevalenza e importanza suscitano la comprensibile curiosità degli scienziati, che da tempo cercano di documentarne l'evoluzione nel tempo. I metodi attuali con l'uso dei raggi X, sviluppati finora per l'osservazione di fenomeni della durata di attosecondi, devono affrontare elevate esigenze sui parametri del fascio di radiazione utilizzato. È probabile che la situazione migliori nei prossimi anni grazie a un nuovo metodo di misurazione proposto da un gruppo di scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) a Cracovia.

Tracciare il corso dei fenomeni alla stessa velocità del legame degli atomi nelle molecole è ora possibile principalmente grazie ai laser a elettroni liberi a raggi X (XFEL). Questi dispositivi, operando solo in poche località al mondo a causa delle loro dimensioni e dei costi di costruzione, generano impulsi di raggi X ultrabrevi, della durata di pochi femtosecondi.

I centri dotati di laser XFEL utilizzano due tecniche di misurazione di base note come spettroscopia di raggi X e diffrazione di raggi X. Il primo si concentra sull'analisi dei cambiamenti nello spettro di radiazione durante la sua interazione con il campione, mentre il secondo studia come i raggi X si diffondono sul campione. Entrambi i metodi hanno la stessa limitazione:non ci consentono di "vedere" processi più brevi della durata dell'impulso. Questo è il motivo per cui i fenomeni più veloci finora osservati al laser europeo XFEL vicino ad Amburgo, ad esempio, sono durati 5 femtosecondi.

"Pochi femtosecondi non sono molto lunghi, ma questo non è ancora il mondo dell'attofisica. Per arrivare a questo ci siamo rivolti alla cronoscopia, cioè una tecnica che analizza come gli impulsi cambiano la loro forma nel tempo. Abbiamo dimostrato teoricamente che questo metodo può essere utilizzato con successo per impulsi di raggi X ultracorti per ottenere informazioni sui cambiamenti nella forma degli impulsi prima e dopo l'interazione con il campione", afferma il dott. Wojciech Blachucki (IFJ PAN), primo autore dell'articolo in Scienze Applicate .

In questa pubblicazione viene mostrato che nel caso di impulsi laser ultracorti è possibile misurarne la struttura temporale, ovvero ottenere informazioni sulla forma dell'impulso. Questo approccio rende potenzialmente possibile dedurre fenomeni dal mondo dell'attofisica anche allo stato attuale dello sviluppo tecnico degli XFEL. Se l'impulso laser durasse anche 20 femtosecondi, ma le informazioni sulla sua struttura temporale potessero essere ricostruite, diciamo, in 100 punti, si potrebbero notare fenomeni che si verificano in un tempo di 20/100 =1/5 femtosecondo, cioè , 200 attosecondi.

È importante notare che attualmente è possibile ottenere una risoluzione temporale inferiore a un femtosecondo, ma l'intensità del raggio laser doveva essere notevolmente ridotta. Questa procedura ha potenti effetti collaterali. Il tempo di irraggiamento dei campioni si allunga a molte ore, il che in pratica rende impossibile lo svolgimento di studi applicati. La cronoscopia a raggi X non ha questa limitazione e rimuove i requisiti per gli impulsi di radiazione utilizzando un metodo sensibile per misurare la loro struttura temporale. Dopo la sua implementazione, gli attuali centri laser potrebbero dedicare parte del loro tempo di lavoro a misurazioni ad attosecondi eseguite per entità esterne, ad esempio legate all'industria.

Tuttavia, passeranno diversi anni prima che la cronoscopia a raggi X diventi una tecnica di ricerca standard. Il primo passo verso la sua implementazione sarà dimostrare che le durate medie dell'impulso laser prima e dopo l'interazione con il campione sono diverse. Questa sarebbe una conferma sperimentale della correttezza del metodo descritto dai fisici di Cracovia. Solo nella fase successiva i ricercatori si concentreranno su una ricostruzione più precisa della struttura temporale degli impulsi prima e dopo il contatto con il campione.

"La tecnica di misura che proponiamo non si limita solo ai laser a elettroni liberi, ma è di natura universale. Pertanto, può essere utilizzata con successo anche nel caso di altre sorgenti che generano impulsi di raggi X ultracorti, come l'Extreme Light Struttura infrastrutturale situata vicino a Praga", sottolinea il dott. Jakub Szlachetko (IFJ PAN). + Esplora ulteriormente

Svelato il meccanismo alla base della fusione del diamante indotta da XFEL