Un team di ricercatori del Max Born Institute di Berlino ha, per la prima volta, dimostrato la spettroscopia attosecond-pump attosecond-probe (AAPS) con una velocità di ripetizione di 1 kilohertz. Ciò è diventato possibile grazie allo sviluppo di una sorgente ad attosecondi compatta e intensa che utilizza una geometria di generazione fuori fuoco. L'approccio apre nuove strade per lo studio della dinamica degli elettroni estremamente veloci nel regime degli attosecondi.
La prima generazione di impulsi ad attosecondi (1 attosecondo corrisponde a 10 -18 secondi) all’inizio di questo secolo ha consentito approfondimenti senza precedenti nel mondo degli elettroni. Per il loro lavoro pionieristico, che ha portato per la prima volta alla dimostrazione degli impulsi ad attosecondi nel 2001, Anne L'Huillier, Pierre Agostini e Ferenc Krausz hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2023.
Le attuali tecniche agli attosecondi, tuttavia, presentano un importante inconveniente:per poter registrare un filmato in un esperimento con sonda a pompa, un impulso ad attosecondi deve tipicamente essere combinato con un impulso a femtosecondi (1 femtosecondo corrisponde a 10 -15 secondi) i cui cicli ottici (della durata di pochi femtosecondi) vengono utilizzati come un orologio con risoluzione ad attosecondi. Ciò costituisce una limitazione per lo studio della dinamica degli elettroni su scale temporali ad attosecondi.
Sin dalla prima dimostrazione degli impulsi ad attosecondi, è stato il sogno di molti scienziati eseguire esperimenti in cui un primo impulso di pompa ad attosecondi avvia la dinamica elettronica in un atomo, una molecola o un campione allo stato solido, e dove una seconda sonda ad attosecondi Pulse interroga il sistema con diversi ritardi temporali.
Questo obiettivo si è rivelato molto impegnativo perché richiede intensi impulsi ad attosecondi. Il processo sottostante di generazione di armoniche elevate (HHG) è tuttavia molto inefficiente. Di conseguenza, sono state riportate solo pochissime dimostrazioni di principio della spettroscopia con pompa ad attosecondi e sonda ad attosecondi (APAPS), che ha fatto uso di configurazioni di grandi dimensioni e sistemi laser specializzati che operano a bassi tassi di ripetizione (10-120 Hertz).
Un team di ricercatori del Max Born Institute (MBI) di Berlino ha ora dimostrato un approccio diverso, consentendo loro di eseguire esperimenti APAPS utilizzando una configurazione molto più compatta. A questo scopo hanno utilizzato un laser di guida chiavi in mano con una frequenza di ripetizione kilohertz. Ciò ha comportato un funzionamento sostanzialmente più stabile, che è un requisito fondamentale per il successo dell'implementazione di APAPS.
Gli scienziati hanno utilizzato impulsi laser a infrarossi per la generazione di impulsi ad attosecondi in un getto di gas. A differenza di come vengono solitamente generati gli impulsi ad attosecondi, tuttavia, hanno avuto l'idea di posizionare il getto di gas non vicino al fuoco del laser guida ma a una certa distanza da esso. Di conseguenza, sono stati generati impulsi ad attosecondi con un'energia di impulso relativamente elevata e una sorgente virtuale di piccole dimensioni che, dopo la rifocalizzazione, hanno consentito ai ricercatori di ottenere impulsi ad attosecondi ad alta intensità.
I ricercatori hanno utilizzato questa sorgente ad attosecondi stabile e intensa eseguendo un esperimento APAPS, in cui gli atomi di argon sono stati ionizzati da un impulso di pompa ad attosecondi, risultando nella generazione di Ar + a carica singola ioni. La formazione di questi ioni è stata rilevata da un impulso di sonda ad attosecondi, che ha portato a un'ulteriore ionizzazione e alla formazione di Ar 2+ a doppia carica ioni.
I risultati sono stati un aumento dell'Ar 2+ si osserva la resa ionica su una scala temporale molto rapida. Ciò dimostra che gli impulsi della pompa e della sonda coinvolti hanno effettivamente durate degli impulsi di attosecondi.
Le modeste energie degli impulsi di guida a infrarossi utilizzate in questo studio aprono la strada all'esecuzione di esperimenti APAPS con velocità di ripetizione ancora più elevate fino al livello dei megahertz. I sistemi laser necessari per condurre questi esperimenti sono già disponibili o in fase di sviluppo. Di conseguenza, il nuovo concetto potrebbe consentire approfondimenti senza precedenti nel mondo degli elettroni su scale temporali estremamente brevi, che non sono accessibili con le attuali tecniche degli attosecondi.
I risultati sono pubblicati sulla rivista Science Advances .
Ulteriori informazioni: Martin Kretschmar et al, Realizzazione compatta della spettroscopia con sonda a pompa ad ogni attosecondo, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk9605
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dal Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI)
