Un gruppo di ricerca internazionale guidato dal Politecnico di Milano ha raggiunto un nuovo traguardo nella spettroscopia di fotoelettroni risolta nel tempo. Sviluppando un apparato sperimentale avanzato, i ricercatori sono riusciti a ottenere una risoluzione temporale di appena tre femtosecondi, ovvero un milionesimo di miliardesimo di secondo. Questo livello di dettaglio permette di analizzare i processi fotochimici ultrarapidi, seguendo simultaneamente il movimento coordinato di elettroni e nuclei nei primissimi istanti dopo l'assorbimento della luce.
Un esperimento da record
Il lavoro, pubblicato sulla rivista Nature Communications, si inserisce nel progetto europeo ERC Synergy TOMATTO e ha coinvolto anche l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR, la Heriot-Watt University di Edimburgo e l'Università di Bologna. Per validare la nuova architettura, il team ha utilizzato come molecola modello l'acetilacetone, studiando come la radiazione luminosa inneschi trasformazioni ultrarapide. Grazie alla precisione millimetrica della strumentazione, è stato possibile distinguere in sequenza temporale due passaggi consecutivi attraverso un'intersezione conica, uno snodo cruciale in cui la molecola modifica il proprio stato elettronico e si incanala verso un determinato percorso di trasformazione.
«Con questo apparato possiamo seguire una molecola nei primissimi istanti dopo l'assorbimento della luce, con un livello di dettaglio che prima non era accessibile. È come aumentare enormemente il numero di fotogrammi di un film: una trasformazione apparentemente unica rivela finalmente tutti i suoi passaggi intermedi», ha dichiarato Mauro Nisoli, docente del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e coordinatore del progetto ERC Synergy TOMATTO.
Come funziona la tecnologia
Il sistema si basa sull'impiego coordinato di due impulsi luminosi distinti e sincronizzati con estrema precisione. Il primo impulso, con frequenze ultraviolette, viene assorbito dal campione molecolare per innescarne l'evoluzione dinamica. Il secondo impulso, nell'estremo ultravioletto e della durata di pochi attosecondi, intercetta la molecola dopo un intervallo di tempo controllabile, fotografandone lo stato energetico e strutturale in quel preciso istante. Ripetendo le misurazioni a intervalli incrementali, il team ha mappato la redistribuzione dell'energia interna e la dinamica congiunta di elettroni e nuclei nell'acetilacetone.
«Quello che osserviamo è il momento in cui la luce mette in moto la molecola e ne riorganizza l'energia interna», ha affermato Maurizio Reduzzi, professore associato del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano. «Riuscire a seguire direttamente questi passaggi significa avvicinarsi al cuore dei processi fotochimici, là dove una trasformazione prende davvero forma».
La flessibilità del sistema, che consente di variare la lunghezza d'onda dell'impulso ultravioletto iniziale, rende la piattaforma versatile per l'analisi di molteplici molecole e configurazioni elettroniche. Il metodo potrà quindi essere esteso a sistemi chimici e fisici più complessi, come macromolecole biologiche, materiali fotoattivi e dispositivi per la conversione energetica. Inoltre, i risultati pongono basi solide per lo sviluppo dell'attochimica, la disciplina che mira a osservare e controllare le trasformazioni chimiche agendo direttamente sulla cinematica degli elettroni prima che si attivi il movimento, più lento, dei nuclei atomici.
