Sorgente di luce ultraveloce in formato laboratorio

In natura, alcuni processi avvengono così rapidamente che anche un battito di ciglia (10⁰s) è molto lento in confronto. Molte reazioni fisiche, chimiche e biologiche fondamentali avvengono in un intervallo di tempo ultracorto di pochi femtosecondi (10^-15s) o addirittura attosecondi (10^-18s). Le particelle elementari come gli elettroni e i fotoni, ad esempio, si muovono nelle molecole in appena 100 attosecondi (10^-16 s).

Quando gli elettroni di una molecola saltano da un atomo all'altro, i legami chimici possono essere spezzati e se ne formano di nuovi. Ciò avviene in una frazione di femtosecondo. Tracciare questi processi in tempo reale con una risoluzione atomica è un motivo fondamentale per lo sviluppo di nuove strutture di ricerca su larga scala come il laser a elettroni liberi FEL svizzero. I ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Ginevra hanno ora trovato un modo per studiare questi processi ultrarapidi in laboratorio: con una sorgente di raggi X morbidi.

Il segreto delle reazioni ultraveloci

Come riferiscono i ricercatori del gruppo di biofotonica di Jean-Pierre Wolf, professore a Ginevra, e del gruppo di spettroscopia ultraveloce di Hans Jakob W?rner, professore a Zurigo, nell'attuale numero della rivista scientifica "Science", hanno sviluppato ulteriormente una tecnologia di misurazione basata sui raggi X, nota come spettroscopia di assorbimento dei raggi X, per raggiungere una risoluzione temporale di 20 femtosecondi (2x10^-14 s) sono stati raggiunti.

Gli scienziati hanno utilizzato questo metodo per osservare come gli spazi di residenza degli elettroni - i cosiddetti orbitali molecolari - di due composti altamente fluorurati cambiassero strutturalmente. Anche le molecole stesse - il tetrafluoruro di carbonio (che contiene quattro atomi di fluoro) e l'esafluoruro di zolfo (che contiene sei atomi di fluoro) - hanno assunto una forma diversa, poiché i legami chimici esistenti sono stati spezzati a causa dei movimenti degli elettroni. Tetrafluoruro di carbonio per esempio, ha perso spontaneamente un atomo di fluoro e si è trasformato da un tetraedro in una molecola di carbonio triangolare e piatta con tre atomi di fluoro. Le molecole contenenti carbonio e le loro reazioni possono essere misurate in modo specifico con questo metodo e svolgono un ruolo nella riduzione dell'ozono nell'atmosfera.

Premiere in laboratorio

"Queste reazioni chimiche non potevano essere studiate prima", spiega W?rner. "I precedenti tentativi di sviluppare sorgenti di raggi X ultrarapidi da utilizzare in laboratorio si sono basati su raggi X duri e ad alta energia, ottenendo al massimo una risoluzione temporale di picosecondi (10).^-12 s). I ricercatori di Zurigo e Ginevra, invece, hanno combinato una sorgente di luce per raggi X morbidi a bassa energia sviluppata all'ETH con un sistema laser compatto ad alta intensità nel laboratorio di Ginevra. I raggi X morbidi possono essere utilizzati per ottenere informazioni strutturali precise sulla distribuzione degli elettroni nelle molecole e sulle distanze tra i nuclei atomici.

I ricercatori hanno dato un contributo decisivo alla svolta tecnologica generando raggi X con "alte armoniche". Con questo metodo, hanno moltiplicato la frequenza del fascio laser a femtosecondi originale in un gas in una camera a vuoto per un fattore di circa 500 e hanno così prodotto un fascio coerente di raggi X con uno spettro "bianco".

Risoluzione temporale in attosecondi come obiettivo

Ciò ha permesso di accedere allo spettro di energia interessante dal punto di vista chimico e biologico compreso tra 100 e 350 elettronvolt. "Misure ad alta risoluzione temporale in questo intervallo spettrale non erano precedentemente possibili in laboratorio", afferma felicemente W?rner. Un grande vantaggio della nuova sorgente è che consente anche esperimenti a raggi X con risoluzione temporale di attosecondi. "La sorgente di raggi X ad alta risoluzione temporale integra la ricerca sulle sorgenti di luce di sincrotrone e sui laser a elettroni liberi, ma non li sostituisce. Permette di effettuare ulteriori misurazioni ed esperimenti.

In futuro, i ricercatori vorrebbero misurare le molecole anche in un sottile flusso d'acqua permeabile ai raggi X, dato che nell'esperimento attuale si sono concentrati sulla fase gassosa: in questo stato, le molecole possono essere isolate particolarmente bene e studiate indipendentemente dalle interazioni con il loro ambiente. Tuttavia, la maggior parte delle reazioni chimiche e dei processi biologici avviene in fase liquida.

Questa ricerca è stata finanziata da due borse di studio dell'ERC e dal Centro nazionale di competenza per la ricerca "MUST - Ultrafast Processes in Molecular Building Blocks", nonché da una borsa di studio del programma ETH Fellows per eccellenti ricercatori post-dottorando.