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Shine light on an atom and its electrons respond. At the FERMI free-electron laser in Trieste, Italy, a team led by Ulli Eichmann of the Max Born Institute in Berlin has shown that it can steer that response with extreme ultraviolet light (XUV). By changing the phase of the pulses, the researchers decided whether two quantum routes inside a helium atom reinforced each other or cancelled out. The work is published in Nature Photonics.
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.
Quantum mechanics allows a process to happen along several paths at once. An electron can reach the same final state by different routes, and those routes either add up or cancel, much like overlapping ripples on the surface of water. The researchers created two competing routes to excite a bound state in helium, using a method called stimulated Raman excitation with XUV pulses. Matthieu Génévriez, a researcher at UCLouvain and one of the authors, describes the effect in plain terms: “it's a little bit as if we could eject an electron from an atom and then bring it back home with light.”
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».
Visible and infrared lasers have been the workhorses of this kind of probing for decades. Stimulated Raman scattering and related techniques already follow chemical reactions and electronic motion with those wavelengths. Extending them into the XUV, a region the team calls a long-standing challenge, required a light source few facilities can provide. Eichmann says the experiment shows the methods “can now be brought into the extreme ultraviolet,” opening “new possibilities for imaging and manipulating matter with unprecedented spatial resolution.”
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».
For chemists and materials scientists, the appeal lies in the element-specific nature of the light. XUV and X-ray photons reach electrons close to atomic nuclei, where each chemical element carries its own electronic fingerprint. The team believes the concepts shown here could eventually lead to a new generation of imaging and spectroscopy tools, able to track electronic motion and chemical transformations at the smallest scales. It has not published a timeline for such instruments, and the experiment is a laboratory demonstration carried out on helium alone.
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.