L'effetto fotoelettrico in stereo

Quando un fotone colpisce un materiale, può rilasciare un elettrone da esso se ha abbastanza energia. La spiegazione teorica di questo fenomeno, noto come effetto fotoelettrico, fu trovata da Albert Einstein nel suo "anno miracoloso", il 1905, a Berna. Egli diede un contributo decisivo al campo emergente della meccanica quantistica, per il quale ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1921.

Un gruppo di ricerca internazionale di fisici guidati da Ursula Keller dell'Istituto di Elettronica Quantistica dell'ETH di Zurigo ha ora aggiunto una nuova dimensione alla ricerca sperimentale su questo importante effetto. Utilizzando impulsi laser ad attosecondi, sono riusciti a misurare una minuscola differenza temporale nel rilascio dell'elettrone da una molecola, a seconda della posizione dell'elettrone all'interno della molecola stessa.

Processi complessi nelle molecole

"È da molto tempo che studiamo come funziona l'effetto fotoelettrico negli atomi", spiega la dottoranda Jannie Vos, "ma finora ci sono stati solo pochi studi sulle molecole", soprattutto perché le molecole sono molto più complesse dei singoli atomi. In un atomo, l'elettrone più esterno che orbita intorno al nucleo viene praticamente catapultato fuori dalla sua orbita da una particella di luce. In una molecola, invece, due o più nuclei atomici condividono lo stesso elettrone. La sua posizione dipende dall'interazione dei diversi potenziali di attrazione. Solo ora è stato analizzato in dettaglio come avviene esattamente l'effetto fotoelettrico in queste condizioni.

Ritardo di Wigner in stereo

Keller e i suoi colleghi hanno utilizzato molecole di monossido di carbonio composte da due atomi, uno di carbonio e uno di ossigeno. Queste molecole sono state esposte a un impulso laser ultravioletto estremo della durata di pochi attosecondi. (L'energia dei fotoni ultravioletti ha liberato un elettrone dalle molecole, che si sono quindi disintegrate nei loro singoli atomi. Uno di questi si è poi caricato positivamente come ione. I ricercatori hanno quindi utilizzato uno strumento speciale per misurare le direzioni in cui gli elettroni e gli ioni sono volati via. Con l'aiuto di un secondo impulso laser, che ha agito come una sorta di asta di misurazione, sono stati anche in grado di determinare il momento esatto in cui l'elettrone ha lasciato la molecola.

"In questo modo, siamo riusciti per la prima volta a determinare il cosiddetto ritardo stereo-Wigner", spiega Laura Cattaneo, che lavora come ricercatrice post-dottorato nel gruppo di Keller. Il ritardo stereo-Wigner indica quanto prima o quanto dopo un elettrone lascia la molecola se si trova in prossimità dell'atomo di ossigeno o di carbonio al momento della fotoionizzazione. Gli impulsi laser estremamente brevi consentono di misurare questo tempo entro pochi attosecondi. Da questo, a sua volta, è possibile determinare la posizione della ionizzazione all'interno della molecola fino a un decimo di nanometro. I risultati sperimentali concordano bene con le previsioni teoriche che descrivono dove è più probabile che un elettrone si trovi al momento della fotoionizzazione.

Nuove scoperte con molecole più grandi

In seguito, i ricercatori dell'ETH vogliono esaminare più da vicino le molecole più grandi, a partire dal protossido di azoto N₂O. L'atomo aggiuntivo in questa molecola rende già molto più difficile la descrizione teorica, ma allo stesso tempo i fisici sperano che tali indagini forniscano anche nuove conoscenze sulla cosiddetta migrazione di carica all'interno delle molecole, che svolge un ruolo importante nei processi chimici.

In linea di principio, dovrebbe essere possibile non solo studiare questi processi con l'aiuto di impulsi laser ad attosecondi, ma anche controllarli in modo mirato e quindi controllare le reazioni chimiche in dettaglio. Tuttavia, tale chimica è ancora un sogno del futuro, come sottolinea Jannie Vos: "In teoria, è tutto molto eccitante, ma siamo ancora lontani".

Oltre ai ricercatori dell'ETH di Zurigo, hanno partecipato a questo lavoro anche scienziati dell'Istituto Max Born di Berlino, dell'Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi di Dresda e dell'Australian National University di Canberra. Il progetto è stato finanziato in parte da un ERC Advanced Grant assegnato a Ursula Keller.