Gli scienziati hanno misurato i tempi in miliardesimi di miliardesimi di secondo

Gli elettroni all’interno di una molecola si muovono così velocemente che bastano pochi secondi per saltare da un atomo all’altro. Quindi misurare tali processi ultraveloci è un compito arduo.

Ora è possibile misurare i ritardi temporali con una precisione di zeptosecondi (un trilionesimo di miliardesimo di secondo), grazie a una nuova tecnica sviluppata dagli scienziati dell’Australian Attosecond Science Facility e del Center for Quantum Dynamics di Griffith University a Brisbane, in Australia. Utilizzando questa nuova tecnica di interferometria, gli scienziati possono misurare il ritardo tra gli impulsi di intensa luce ultravioletta emessi da due isotopi di molecole di idrogeno – H2 e D2 – che interagiscono con un condensatore. impulsi laser a infrarossi.

Questo ritardo è risultato essere inferiore a tre attosecondi. E hanno anche trovato il motivo del ritardo: movimenti leggermente diversi dei nuclei più leggeri e più pesanti.

La generazione di armoniche elevate (HHG) è un metodo in cui le particelle sono sottoposte a potenti impulsi laser per produrre il reale onde luminose.

XUV viene rilasciato quando uno ione si combina con un elettrone estratto da una molecola da un intenso campo laser; Quindi l’elettrone viene accelerato dallo stesso campo. Tutti i singoli atomi e molecole emettono radiazioni HHG in modo diverso e le sottili dinamiche delle funzioni d’onda degli elettroni coinvolte in questo processo influenzano l’intensità e la fase della radiazione XUV HHG.

Uno spettrometro a reticolo di base può facilmente misurare lo spettro di intensità di HHG, ma misurare la fase di HHG è un processo molto più difficile. La fase contiene i dati più importanti riguardanti la tempistica di molti dei processi di emissione.

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Vengono prodotte due copie dell’onda con ritardi finemente sintonizzati per sovrapporsi (o sovrapporsi) l’una all’altra in un processo noto come interferometria di misurazione di fase. A seconda della latenza e della relativa differenza di fase, possono interferire in modo costruttivo o distruttivo.

Un interferometro è uno strumento utilizzato per effettuare questa misurazione. È molto difficile stabilire e mantenere un ritardo coerente, prevedibile e accurato tra due impulsi XUV in un interferometro a impulsi XUV.

Lo studio ha risolto questo problema sfruttando il fenomeno della fase atmosferica. la molecola più semplice in natura, idrogeno molecolare, è disponibile in due diversi isotopi, che gli scienziati hanno impiegato nei loro studi. L’unica differenza nella massa del nucleo tra gli isotopi leggeri (H2) e pesanti (D2) dell’idrogeno è tra i protoni in H2 e i deuteroni in D2. La composizione, le energie elettroniche e tutto il resto è lo stesso.

A causa della loro massa maggiore, i nuclei in D2 si muovono leggermente più lentamente di quelli in H2. Poiché i movimenti nucleare ed elettronico nelle molecole sono accoppiati, il movimento nucleare influenza la dinamica delle funzioni d’onda dell’elettrone durante il processo HHG portando a una piccola transizione di fase ΔφH2-D2 tra i due isotopi.

Questo sfasamento è equivalente a un ritardo temporale Δt = H2-D2/ω dove ω è la frequenza dell’onda XUV. Gli scienziati della Griffith hanno misurato questo ritardo di emissione per tutte le armoniche osservate nello spettro HHG: era quasi costante e poco meno di tre attosecondi.

Successivamente, gli scienziati hanno utilizzato i metodi teorici più avanzati per modellare in modo completo il processo HHG nei due isotopi dell’idrogeno molecolare. Include anche tutti i gradi di libertà per il moto nucleare ed elettronico a diversi livelli di approssimazione.

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Il team era fiducioso che la loro simulazione catturasse accuratamente le proprietà cruciali per il processo fisico sottostante perché simulava accuratamente i risultati sperimentali. Variando i parametri del modello ei livelli di approssimazione, si può determinare l’importanza relativa dei diversi effetti.

Professor Igor Litvinnik, Griffith University School of Environment and Science, Nathan, Australia, Egli ha dettoE il “Poiché l’idrogeno è la molecola più semplice in natura e può essere modellato teoricamente con alta precisione, è stato utilizzato in questi esperimenti di prova di principio per misurare le prestazioni e convalidare il metodo”.

“In futuro, questa tecnologia può misurare la dinamica ultraveloce di vari processi indotti dalla luce in atomi e molecole con una risoluzione temporale senza precedenti”.

Riferimento rivista:

  1. Mumta Hina Mustari e altri. Ritardi in attosecondi delle emissioni altamente armoniche degli isotopi dell’idrogeno misurati con l’interferometro XUV. Scienza ad alta velocità. DOI: 10.34133/2022/9834102

Giustina Rizzo

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