Modellare forme d’onda ad attosecondi (rassegna stampa)

    
Le reazioni chimiche e i complessi fenomeni che si verificano nei liquidi o nei solidi sono determinati, al livello più fondamentale, dalla struttura e dalle dinamiche dei loro elettroni. Il riarrangiamento degli elettroni innescato da uno stimolo iniziale (ad esempio l’assorbimento di un fotone di luce solare) evolve in una scala temporale ultrabreve, tipicamente pari a poche centinaia di attosecondi (1 attosecondo = 10-18 s).  Solo impulsi luminosi di durata equivalente sono utilizzabili per ottenere istantanee di tale moto, risolvendo così la dinamica degli elettroni nel tempo.
Gli elettroni sono sensibili ai campi esterni e possono essere facilmente manovrati se irradiati con impulsi di luce. La capacità di plasmare nel tempo il campo elettrico di un impulso ad attosecondi si traduce direttamente nella possibilità di manovrare le dinamiche elettroniche a tale scala temporale. Questa affascinante possibilità si pone alle frontiere della tecnologia attualmente disponibile, ma promette di fornire nuovi approcci per il controllo delle reazioni chimiche e per lo sviluppo di dispositivi elettronici molto più veloci di quelli attualmente in uso (persino con frequenze di clock nell’ordine dei petahertz (1 PHz = 1015 Hz).

Nell’ambito di una collaborazione internazionale ad ampio raggio, gli scienziati dell’Elettra Sincrotrone Trieste hanno dimostrato per la prima volta che è possibile modellare completamente la forma d’onda di un treno di impulsi ad attosecondi. L’esperimento è stato condotto presso il laser a elettroni liberi (FEL) seeded FERMI di Trieste, il quale offre l’esclusiva capacità di sintetizzare radiazioni di diverse lunghezze d’onda nella regione di spettro dell’ultravioletto estremo con fasi relative interamente controllabili.

Immagine: Rappresentazione artistica di un treno di impulsi ad attosecondi e del campo a infrarossi di riferimento per due diverse impostazioni dei variatori di fase di FERMI (Autori: Jürgen Oschwald e Carlo Callegari).

Nel corso dell’esperimento sono stati generati gruppi di quattro armoniche di una lunghezza d’onda fondamentale utilizzando la serie di ondulatori disponibili presso il FERMI; le loro fasi relative sono poi state modificate mediante variatori di fase collocati tra gli ondulatori. Una delle maggiori sfide dell’esperimento è stata la misurazione di tali fasi relative, le quali sono state caratterizzate misurando i fotoelettroni emessi da atomi di neon mediante la combinazione di impulsi ad attosecondi e di un campo a infrarossi. La presenza di quest’ultimo genera ulteriori picchi negli spettri degli elettroni, tradizionalmente chiamati sidebands (bande laterali). Una tecnica innovativa, fondata sulla caratterizzazione della correlazione della variazione delle sidebands generate per ogni colpo del laser, è stata il cruciale passo avanti nella caratterizzazione dell’intero treno di impulsi ad attosecondi.

Questi risultati aprono nuove prospettive nel campo della scienza e della tecnologia ad attosecondi poiché, per la prima volta, siamo in grado di modellare e controllare il campo elettrico di un impulso a questa inedita scala temporale. Grazie a tali impulsi possiamo indagare in che modo la durata di un impulso ad attosecondi influenza il primo istante della risposta elettronica in una molecola o in un cristallo. La capacità di plasmare il campo elettrico, inoltre, è un fattore che consente di controllare il moto degli elettroni.

Questi risultati sono stati ottenuti solo grazie alla stretta collaborazione tra il gruppo dell’Università di Friburgo, il team di Elettra, il team russo di fisici teorici e il team internazionale di fisici teorici e sperimentali provenienti da Stati Uniti, Germania, Italia, Austria, Slovenia, Ungheria, Giappone e Svezia. In questo esperimento abbiamo sfruttato appieno le caratteristiche uniche del FEL FERMI. I nostri risultati indicano non solo che i FEL sono in grado di produrre impulsi ad attosecondi, ma che, grazie all’approccio adottato per la generazione della forma d’onda, tali impulsi sono completamente controllabili e raggiungono elevate intensità di picco. Questi due aspetti costituiscono i principali vantaggi del nostro approccio. I risultati influenzeranno anche la progettazione e il design di nuovi laser a elettroni liberi in tutto il mondo.



 

 

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I risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Nature:
P.K. Maroju et al. “Attosecond pulse shaping using a seeded free-electron Laser” (“Modellazione di impulsi ad attosecondi mediante un laser a elettroni liberi seeded ”)
DOI: 10.1038/s41586-020-2005-6

Contatti
Per ulteriori informazioni: 
Giuseppe Sansone - Physikalisches Institut — Albert-Ludwigs-Universität Freiburg (Germany) - 
Carlo Callegari – Elettra Sincrotrone Trieste - Trieste (Italy) 
 
Rassegna Stampa

Ultima modifica il Lunedì, 19 Ottobre 2020 16:22