Il campo della fisica degli attosecondi è stato creato con la missione di esplorare le interazioni luce-materia con risoluzioni temporali senza precedenti. I recenti progressi in questo campo hanno consentito ai fisici di gettare nuova luce sulla dinamica quantistica dei portatori di carica negli atomi e nelle molecole
Una tecnica che si è rivelata particolarmente preziosa per condurre ricerche in questo campo è RABBITT (ovvero la ricostruzione del battito degli attosecondi per interferenza di transizioni di due fotoni). Questo promettente strumento è stato inizialmente utilizzato per caratterizzare gli impulsi laser ultracorti, come parte di un'attività di ricerca che ha vinto il Premio Nobel di quest'anno, ma da allora è stato utilizzato anche per misurare altri fenomeni fisici ultraveloci.
I ricercatori della East China Normal University e della Queen's University di Belfast hanno recentemente sviluppato la tecnica RABBITT per misurare distintamente i contributi individuali alla fotoionizzazione. Il loro articolo, pubblicato in Physical Review Letters , introduce un nuovo metodo altamente promettente per condurre ricerche sulla fisica degli attosecondi.
"La tecnica RABBITT fornisce essenzialmente un cronometro ultraveloce per i processi elettronici, in modo da poter misurare (ad esempio) il ritardo temporale tra la ionizzazione di diversi elettroni in un atomo", ha detto a Phys Andrew C. Brown, coautore dell'articolo. .org.
"Una delle difficoltà di questi esperimenti, tuttavia, è che quando si hanno molteplici processi che interferiscono, il quadro diventa sostanzialmente più complesso e non possiamo più fare affermazioni concrete sui tempi dei vari meccanismi. In sostanza, anche voi avete molte variabili e un numero insufficiente di equazioni per risolverle.
"La vera genialità dell'esperimento di Xiaochun e Jian è stata quella di fornire più equazioni o, più accuratamente, misurazioni più distinte, che ci hanno permesso di distinguere i diversi meccanismi."
Nei loro esperimenti, Xiaochun Gong e Jian Wu, gli autori che hanno guidato il progetto, hanno utilizzato due impulsi laser, che è la pratica standard quando si implementa la tecnica RABBITT. Tuttavia, hanno modificato la polarizzazione (ovvero l'angolo di inclinazione) di questi impulsi, per ottenere un ulteriore controllo sulle misurazioni raccolte.
Inizialmente, i ricercatori si sono proposti di risolvere i ritardi temporali nella fotoionizzazione per diversi angoli di emissione. In altre parole, volevano determinare se un elettrone si comporta diversamente quando viene emesso in direzioni diverse rispetto al campo laser. Tuttavia, una volta che hanno iniziato a esaminare i dati raccolti nei loro esperimenti, si sono resi conto che dipingevano un quadro molto più complesso di quanto avevano previsto.
"Il nostro lavoro attuale è anche un ulteriore passo avanti rispetto al nostro precedente lavoro sui misuratori di onde parziali atomiche", ha affermato Gong. "Il nostro sogno è spingere la misurazione della fotoionizzazione ad attosecondi al livello dell'onda parziale, che è la definizione originale dello sfasamento dello scattering."
I ricercatori hanno raccolto le loro misurazioni su campioni di elio, neon e argon. Esaminare l'elio è semplice, poiché contiene solo due elettroni e esiste in realtà un solo metodo per ionizzarlo, mentre neon e argon sono sistemi molto più complessi.
"Più precisamente, quando ionizzi l'elio, c'è solo un possibile stato ionico residuo", ha detto Brown. "Per il neon e l'argon, tuttavia, le cose sono significativamente più complicate. Per prima cosa, ci sono più elettroni di cui preoccuparsi, e per un altro, ci sono più stati ionici residui, che contribuiscono tutti in qualche modo (precedentemente) sconosciuto alla segnale misurato. Il modo in cui abbiamo interpretato/spiegato questo è stato pensare al classico esperimento della "doppia fenditura di Young", in cui la luce passa attraverso due aperture prima di essere "misurata" su uno schermo."
Nell'esperimento classico della doppia fenditura di Young, la luce che passa attraverso due aperture produce una figura di interferenza su uno schermo. Questo perché le onde che passano attraverso ciascuna apertura arrivano nella stessa posizione attraverso percorsi diversi, dando luogo alle cosiddette "frange" di interferenza costruttiva o distruttiva.
"La chiave di questo esperimento, e il motivo per cui ha costituito una metafora così avvincente, soprattutto per i teorici quantistici, è che non è possibile dire attraverso quale fenditura sia passata la luce, poiché ciò non può essere misurato", ha detto Brown. "Tutto ciò che puoi misurare è l'interferenza e le 'informazioni sulla direzione' sono inaccessibili."
Negli esperimenti condotti da Brown, Gong e dai loro collaboratori le due aperture negli esperimenti classici della doppia fenditura di Young erano due diversi stati ionici residui nel Neon. Al contrario, il modello di interferenza misurato era la distribuzione angolare del fotoelettrone prodotta dai due impulsi laser distorti.
"Eseguendo la misurazione per due diversi angoli di inclinazione, e poi elaborando tutti i diversi percorsi che gli elettroni potrebbero intraprendere per arrivare a uno stato finale, potremmo quindi risolvere le equazioni per darci sia l'ampiezza che la fase per ogni diverso percorso." Ha detto Brown. "In altre parole, abbiamo scoperto attraverso quale fenditura è passato l'elettrone e come. "
La maggior parte degli studi sulla fisica sperimentale degli attosecondi utilizzano calcoli teorici leggeri per spiegare i loro risultati a posteriori. Tuttavia, questo progetto richiedeva simulazioni molto più dettagliate per tenere conto delle complesse dinamiche in gioco e, in sostanza, fornire una previsione da confermare con l'esperimento.
"Il metodo che abbiamo utilizzato per ricostruire i diversi percorsi nell'esperimento ha una solida base teorica, ma le dinamiche sono così complesse che sarebbe difficile dimostrare a prova di bomba che i numeri che estraiamo dall'esperimento sono affidabili", ha detto Brown. "Abbiamo eseguito simulazioni con il codice R-matrix with Time-dependence (RMT), che può gestire tutte queste dinamiche dai principi primi, e da lì siamo stati in grado di estrarre direttamente le ampiezze e le fasi."
Quando hanno confrontato i risultati sperimentali con quelli della simulazione, hanno scoperto che erano strettamente allineati. Ciò suggerisce che il loro esperimento ha realmente misurato ciò che teoricamente affermavano che avesse fatto.
"In sintesi, proviamo a utilizzare il campo laser per collegare una fase aggiuntiva all'onda D intermedia", ha detto Gong. "Possiamo identificare l'onda S e l'onda D, ma possiamo disturbare la loro proprietà di fase e osservare la loro proprietà di interferenza finale. Ad esempio, possiamo aprire la scatola per sapere se il 'gatto quantistico' è vivo o no, ma noi puoi aggiungere qualche perturbazione e controllare se la scatola ha qualche risposta o meno, dove le risposte sono obbligatorie in base alla reazione del gatto al suo interno."
I ricercatori vedono il metodo sperimentale proposto come un “misuratore di onde parziali”, o in altre parole uno strumento in grado di misurare efficacemente i contributi individuali nella fotoionizzazione. In particolare, il metodo proposto si basa su due tecniche sperimentali distinte, vale a dire il cambiamento della polarizzazione del laser e la misurazione della coincidenza di fotoelettroni e ioni, che non erano precedentemente utilizzate insieme.
"Il nostro lavoro ha combinato queste tecniche in modo tale da rendere possibile questa nuova misurazione", ha affermato Brown. "Questo non vuol dire che le misurazioni siano state in alcun modo semplici, ma non sarebbe una sorpresa vedere la stessa combinazione di tecniche utilizzate per effettuare misurazioni più interessanti della dinamica ultraveloce nei prossimi anni."
Un ulteriore aspetto unico di questo recente studio è la simulazione utilizzata per convalidare i risultati sperimentali del team. Per molto tempo gli scienziati hanno cercato di interpretare i dati sperimentali utilizzando modelli teorici, ma Brown, Gong e i loro colleghi hanno deciso di utilizzare una simulazione.
"I risultati forniti da RMT sono meno intuitivi perché il modello è tutt'altro che semplice, ha spiegato Brown. "Tuttavia, includendo una descrizione di tutti gli effetti multielettronici interessanti e facendolo in modo generale in modo da non essere limitati a specifici atomi o parametri laser specifici, possiamo effettivamente iniziare a condurre esperimenti in questo campo in un modo che semplicemente non è stato possibile per i circa trent'anni di attività scientifica fino a questo punto."
Il recente lavoro di questo team di ricercatori offre nuove informazioni sulle dinamiche fondamentali della fotoionizzazione. Mentre Brown, Gong e i loro collaboratori si stanno concentrando principalmente sulla fisica di questo fenomeno, in futuro i loro sforzi potrebbero aiutare a identificare nuove strategie per controllare gli elettroni utilizzando la luce. Ciò potrebbe favorire lo sviluppo di circuiti elettronici ultraveloci e tecnologie fotovoltaiche (pannelli solari), o forse potrebbe anche aiutare a progettare strumenti medici che prevengano i danni da radiazioni alle cellule.
"Stiamo lavorando per costruire una teoria più completa dei processi di ordine superiore nella fotoemissione", ha detto Brown. "In altre parole, stiamo cercando di descrivere teoricamente cosa succede quando si assorbono più fotoni (più di due) in questi esperimenti di tipo RABBITT. Anche se abbiamo questo codice RMT che può simulare la dinamica dai principi primi, se si vuole interpretare Per ottenere i risultati è necessario anche un modello relativamente semplice per spiegare i diversi percorsi."
Mentre lavorano su un modello teorico in grado di spiegare i dati raccolti nei loro esperimenti, i ricercatori intendono continuare a condurre esperimenti ed eseguire simulazioni a regimi di intensità sempre più elevati. Sperano che ciò consentirà loro di esaminare ulteriormente le transizioni dai sistemi a pochi fotoni a quelli multifotoni e, infine, alla fisica del campo forte.
"Lo sviluppo della fisica dei campi forti è lontano dalla tradizionale teoria della diffusione e tra loro esiste un ampio divario", ha aggiunto Gong. "È necessario costruire un ponte intermedio per fornire una comprensione morbida da un fotone al multifotone."
Ulteriori informazioni: Wenyu Jiang et al, Risoluzione della scatola nera dell'interferenza quantistica tramite spettroscopia di fotoionizzazione ad attosecondi, lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.203201
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