Luce ultravioletta estrema orienta gli elettroni in laboratorio

Illuminare un atomo significa far reagire i suoi elettroni. Al laser a elettroni liberi FERMI di Trieste, in Italia, un team guidato da Ulli Eichmann del Max Born Institute di Berlino ha dimostrato di poter orientare questa reazione con luce ultravioletta estrema (XUV). Modificando la fase degli impulsi, i ricercatori hanno deciso se due percorsi quantistici all'interno di un atomo di elio si rafforzassero a vicenda o si annullassero. Il lavoro è pubblicato su Nature Photonics.

La meccanica quantistica consente a un processo di avvenire lungo più percorsi contemporaneamente. Un elettrone può raggiungere lo stesso stato finale attraverso percorsi diversi, e questi percorsi si sommano o si annullano, un po' come le onde sovrapposte sulla superficie dell'acqua. I ricercatori hanno creato due percorsi concorrenti per eccitare uno stato legato nell'elio, usando un metodo chiamato eccitazione Raman stimolata con impulsi XUV. Matthieu Génévriez, ricercatore all'UCLouvain e uno degli autori, descrive l'effetto in termini semplici: «è un po' come se potessimo strappare un elettrone a un atomo e poi riportarlo a casa con la luce».

Laser visibili e infrarossi sono da decenni gli strumenti principali di questo tipo di indagine. La diffusione Raman stimolata e le tecniche correlate seguono già, con queste lunghezze d'onda, le reazioni chimiche e il movimento degli elettroni. Estendere questi metodi all'XUV, una regione che il team definisce una sfida di lunga data, ha richiesto una sorgente di luce che pochi impianti sono in grado di fornire. Eichmann afferma che l'esperimento dimostra che i metodi «possono ora essere portati nell'ultravioletto estremo», aprendo «nuove possibilità per l'imaging e la manipolazione della materia con una risoluzione spaziale senza precedenti».

Per chimici e scienziati dei materiali, l'interesse risiede nella natura specifica per elemento di questa luce. I fotoni XUV e X raggiungono gli elettroni vicini ai nuclei atomici, dove ogni elemento chimico ha una propria impronta elettronica. Il team ritiene che i concetti presentati potrebbero portare, con il tempo, a una nuova generazione di strumenti di imaging e spettroscopia, capaci di seguire il movimento degli elettroni e le trasformazioni chimiche su scale minime. Non ha pubblicato alcuna scadenza per questi strumenti, e l'esperimento è una dimostrazione di laboratorio condotta soltanto sull'elio.