Percorso del raggio visualizzato dell'esperimento. Credito:MPIK
L'interazione di scambio quantomeccanico tra gli elettroni, una conseguenza del principio di esclusione di Pauli, può essere specificamente modificata con intensi campi di luce infrarossa su scale temporali di pochi femtosecondi, come dimostrano esperimenti risolti nel tempo su molecole di esafluoruro di zolfo. In futuro, questa scoperta potrebbe portare a un controllo dal basso verso l'alto delle reazioni chimiche con laser basati esclusivamente sugli elettroni, la "colla" della chimica.
Gli elettroni formano i legami nelle molecole e svolgono un ruolo decisivo nelle reazioni chimiche. Negli atomi e nelle molecole, gli elettroni sono disposti su una sequenza di livelli energetici caratterizzati da numeri quantici. Per la loro occupazione, anche l'interazione di questi elettroni tra loro, chiamata meccanicamente quantistica interazione di scambio, gioca un ruolo importante. Questo perché gli elettroni si comportano come giroscopi in miniatura:hanno uno spin che può puntare in due direzioni. Secondo le leggi della meccanica quantistica, diversi elettroni di una molecola potrebbero non coincidere mai in tutti i numeri quantici, motivo per cui gli elettroni con spin allineato in modo identico "si allontanano l'uno dall'altro". Questo è il famoso principio di esclusione di Pauli. Solo gli elettroni con spin opposto, invece, possono avvicinarsi e formare coppie.
Gli elettroni negli atomi e nelle molecole possono essere eccitati con la luce, cioè possono essere elevati da un livello di energia inferiore a uno superiore. La posizione dei livelli di energia determina quali colori della luce vengono assorbiti e questi sono caratteristici per il rispettivo atomo o molecola, dando origine a un'impronta digitale unica nella spettroscopia. Di solito, gli elettroni in seguito rilasciano questa energia molto rapidamente, ad esempio sotto forma di luce (fluorescenza) o calore (movimento dei nuclei). Tuttavia, le reazioni fotochimiche dirette possono avvenire anche dallo stato eccitato della molecola.
Rappresentazione schematica dell'interazione di scambio tra l'elettrone (e-), eccitato dalla luce a raggi X, e il buco lasciato nel livello di energia spin-orbita-split (h+ in cerchio o ovale), senza (in alto) e con (in basso), un impulso laser a infrarossi che guida ulteriormente l'elettrone. Credito:MPIK
Il gruppo di Christian Ott nella divisione di Thomas Pfeifer presso l'MPI per la fisica nucleare sta lavorando su una manipolazione specifica delle molecole con i laser in modo che subiscano una reazione particolare. Ora, sono riusciti a compiere un passo fondamentale verso questo obiettivo con un esperimento complicato e un modello teorico che hanno sviluppato nell'ambito del Cluster di Eccellenza STRUCTURES insieme al gruppo di Maurits Haverkort presso l'Institute for Theoretical Physics dell'Università di Heidelberg.
Per la prima volta, i fisici hanno realizzato un metodo per influenzare e misurare l'effettiva interazione di scambio tra diversi elettroni legati in una molecola con due impulsi laser di colore diverso. Usando una luce a raggi X morbida, hanno eccitato un elettrone profondamente legato all'atomo di zolfo in una molecola di esafluoruro di zolfo, estendendo così il suo raggio di movimento all'intera molecola per un breve periodo prima che lasci la molecola. A causa della cosiddetta interazione spin-orbita degli elettroni profondamente legati rimasti lì, il buco formato sull'atomo di zolfo produce così una caratteristica doppia struttura di due linee misurabili nello spettro di assorbimento dei raggi X. "Ora, tuttavia, l'interazione di scambio dell'elettrone eccitato con questa lacuna rimanente cambia nuovamente questa doppia struttura", spiega Patrick Rupprecht, Ph.D. studente presso MPIK e primo autore dello studio.
L'intensa luce laser a infrarossi irradiata contemporaneamente consente ora di guidare ulteriormente l'elettrone eccitato nel suo movimento:questa è la polarizzazione. Come lo studio pubblicato in Lettere di revisione fisica ha mostrato, questo porta a un'interazione di scambio efficace modificata con il buco nell'atomo di zolfo. Questo si è rivelato nell'esperimento come un cambiamento caratteristico nella forza relativa delle due linee e può essere attribuito alle proprietà di simmetria degli stati elettronici coinvolti.
"Per studiare esclusivamente il moto degli elettroni, con un'influenza trascurabile del successivo moto nucleare, abbiamo utilizzato una tecnica ultraveloce con brevi impulsi laser della durata di pochi femtosecondi", aggiunge il capogruppo Christian Ott. "Le misurazioni dimostrano che il laser influenza in modo significativo l'effettiva interazione di scambio tra gli elettroni coinvolti e che il grado di questa influenza può essere controllato dall'intensità del laser". Le simulazioni ab-initio quantistiche sono alla base del risultato, che indica la strada per l'utilizzo dei laser come una sorta di reagenti chimici fondamentali che affrontano direttamente il livello quantomeccanico degli elettroni di legame. + Esplora ulteriormente
