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Dinamiche ultraveloci nelle molecole di grandi dimensioni

Nell’ultimo decennio, la tecnologia laser ad attosecondi ha aperto la strada allo studio dei processi elettronici all’interno di atomi e molecole semplici. Recentemente, i ricercatori finanziati dall’UE hanno fatto un passo cruciale verso lo studio e il controllo relativo a sistemi molecolari più complessi.
Dinamiche ultraveloci nelle molecole di grandi dimensioni
In un lasso di tempo di attosecondi (quintilioni di secondo), i nuclei atomici non hanno il tempo di spostarsi. Sono “congelati” e considerati come “puramente” elettronici. La tecnologia laser ad attosecondi è in grado di tenere traccia in tempo reale dell’oscillazione coerente di pacchetti d’onda elettronica legati, nonché del trasferimento o della migrazione degli elementi portanti di carica (elettroni e lacune).

Nell’ambito del progetto ATTOTREND (Femto- and attosecond imaging of molecular multiple ionization: Time-resolved electron and nuclear dynamics using free electron lasers and ultra-short pulses), finanziato dall’UE, i ricercatori si sono focalizzati sui processi di eccitazione che possono portare a rottura di molecole semplici, come idrogeno e ossigeno.

Essi hanno studiato l’uso di due impulsi laser identici a ultravioletto estremo al fine di ottenere un quadro preciso della dinamica intrinseca dell’elettrone con risoluzione temporale ad attosecondi. La visualizzazione dei processi di ionizzazione diretta e a multi-fotone si è rivelata possibile variando il tempo di ritardo tra i due impulsi.

Inoltre, attraverso l’impiego di impulsi di luce ultravioletta ad attosecondi sintonizzabili nel dominio della frequenza, è stato possibile passare allo stato elettronico eccitato di molecole neutre. Questa possibilità è stata usata per controllare l’eccitazione in modo coerente attraverso specifici percorsi.

La ricchezza e la complessità osservate in relazione alle dinamiche ultraveloci, anche nelle semplici molecole di idrogeno e ossigeno, è notevole. Inoltre, presenta intriganti possibilità per colmare il divario tra chimica e fisica ad attosecondi.

Il passo successivo è quello di estendere la metodologia sviluppata per lo studio della foto-ionizzazione di molecole multi-elettroniche più grandi, tra cui il tetrafluoruro di carbonio e di metano. La teoria del funzionale della densità è stata impiegata per descrivere tutti i diversi effetti osservati in un quadro teorico unificato.

Per la maggior parte del progetto ATTOTREND, gli studi ad attosecondi hanno sondato molecole piuttosto semplici. Tuttavia, i ricercatori hanno studiato anche molecole più complesse. Sono state tracciate le modifiche nella struttura elettronica dell’aminoacido fenilalanina dopo l’applicazione di impulsi di luce ad attosecondi.

I dati raccolti hanno offerto la prima dimostrazione sperimentale dell’avvio relativo alla migrazione del trasportatore in una molecola complessa, dove la dinamica elettronica precede il moto nucleare vibrazionale.

La tecnologia laser ad attosecondi spinge le frontiere della ricerca inerente alle molecole biologicamente rilevanti. Il progetto ATTOTREND ha aperto nuove prospettive per lo sviluppo di nuove tecnologie basate sul controllo delle correnti di elettroni su scala molecolare.

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