Tre ricercatori sono stati insigniti del Premio Nobel per la fisica 2023 per il loro lavoro che ha rivoluzionato il modo in cui gli scienziati studiano l’elettrone, illuminando le particelle con lampi di luce della durata di almeno un secondo.

Ma quanto dura esattamente un totosecondo? In che modo questi impulsi estremamente brevi aiutano i ricercatori a esplorare la natura della materia?

Ho scoperto questo campo di ricerca quando ero studente di chimica fisica. Il gruppo del relatore della mia tesi aveva un progetto dedicato allo studio Reazioni chimiche con impulsi ad attosecondi.

Per capire perché questa ricerca ad attosecondi merita un premio scientifico così prestigioso, dobbiamo capire cos’è un impulso ottico ad attosecondi.

Quanto dura un totosecondo?

“Ato” è Prefisso della notazione scientifica Che rappresenta 10-18, cioè un punto decimale seguito da 17 zeri e un 1. Un lampo di luce della durata di un attosecondo, ovvero 0,0000000000000000001 di secondo, è quindi un impulso luminoso molto breve.

In effetti, il numero di totosecondi al secondo equivale all’incirca al numero di secondi nella vita dell’universo.

In precedenza, gli scienziati potevano studiare il movimento dei nuclei atomici più pesanti e lenti utilizzando…Impulsi luminosi a femtosecondiovvero 10-15 secondi: in un femtosecondo sono compresi mille totosecondi.

Ma i ricercatori non sono riusciti a vedere i movimenti sulla scala degli elettroni prima di poter generare impulsi luminosi dell’ordine dei totosecondi, perché gli elettroni si muovono troppo velocemente per poter determinare esattamente cosa stanno facendo sulla scala dei femtosecondi.

Impulsi di attosecondi

La riorganizzazione degli elettroni negli atomi e nelle molecole dirige molti processi fisici e costituisce la base di quasi ogni aspetto della chimica, motivo per cui i ricercatori si sono impegnati così tanto per comprendere come gli elettroni si muovono e si riorganizzano.

Gli scienziati usano Analisi spettroscopica Studiare questi processi fisici e chimici è un modo per esaminare come una sostanza assorbe o emette luce.

Ma poiché gli elettroni si muovono molto velocemente, bisogna essere particolarmente abili per studiarli nel dettaglio e in modo “risoluto” nel tempo. Fondamentalmente, per tracciare gli elettroni in tempo reale, è necessario un impulso di luce più breve del tempo impiegato dagli elettroni per riorganizzarsi.

La spettroscopia con sonda di pompa è una tecnica comune in fisica e chimica e può essere eseguita utilizzando impulsi luminosi ad attosecondi

Per analogia, immaginiamo una macchina fotografica che possa effettuare solo lunghe esposizioni, della durata di circa un secondo. Gli oggetti in movimento, come una persona che corre verso la telecamera o un uccello che vola nel cielo, potrebbero apparire sfocati e sarà difficile vedere esattamente cosa sta succedendo.

Quindi immagina di utilizzare una fotocamera con un’esposizione di un millisecondo. I movimenti prima sfumati verranno poi ben risolti in inquadrature nitide e precise…

È così che la scala del totosecondo, anziché quella del femtosecondo, può far luce sul comportamento degli elettroni.

Cerca sulla scala dei totosecondi

Gli impulsi ad attosecondi possono rispondere a molti tipi diversi di domande di ricerca.

Da un lato, la rottura di un legame chimico è un processo fondamentale in natura, in cui gli elettroni condivisi vengono distribuiti tra due atomi per formare atomi non legati.

Gli elettroni precedentemente condivisi si riorganizzano molto rapidamente durante questo processo Impulsi di attosecondi Ha permesso ai ricercatori di seguire la rottura di un legame chimico in tempo reale.

La capacità di generare impulsi ad attosecondi – ricerca per la quale tre ricercatori hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica 2023 – è diventata possibile per la prima volta all’inizio degli anni 2000. Il campo ha continuato a crescere rapidamente da allora.

Fornendo istantanee di atomi e molecole su scale temporali molto brevi, la spettroscopia ad attosecondi ha aiutato i ricercatori a comprendere il comportamento degli elettroni nelle singole molecole, ad esempio come La carica dell’elettrone migra Come si rompono i legami chimici tra gli atomi?

Su scala più ampia, la tecnica degli attosecondi è stata applicata anche per studiare il comportamento degli elettroni nell’acqua liquida nonché per studiare il comportamento degli elettroni nell’acqua liquida. Trasferimento di elettroni nei semiconduttori allo stato solido.

Migliorando la nostra capacità di produrre impulsi luminosi fino a totosecondi, i ricercatori saranno in grado di comprendere meglio le particelle che compongono la materia.