Cos’è la scienza ultraveloce?

La scienza ultraveloce è lo studio dei processi in atomi, molecole o materiali che si verificano in un milionesimo di miliardesimo di secondo o più velocemente. Questa scala temporale è calcolata in femtosecondi, un femtosecondo equivale a 10-15 secondi.

Con la scienza ultraveloce, i ricercatori utilizzano brevi impulsi di fotoni, elettroni e ioni per sondare la materia. Gli impulsi di raggi X a femtosecondi possono produrre immagini in stop-motion di come si muovono gli atomi durante le trasformazioni molecolari o di come vibrano su superfici di film sottili.

Questa scala temporale consente agli scienziati di studiare i dettagli di come i processi fondamentali per la vita cambiano nel tempo. Ad esempio, possono studiare come si rompono e si formano i legami chimici e come gli elettroni eccitati rimodellano il panorama energetico delle trasformazioni dei materiali.

Gli strumenti più recenti possono produrre impulsi di durata nell’ordine delle centinaia di attosecondi (10-18 secondi). Questi impulsi ancora più veloci consentono agli scienziati di tracciare come si muovono gli elettroni quando sono eccitati nelle reazioni chimiche.

Gli scienziati per la prima volta hanno monitorato i cambiamenti strutturali ultraveloci quando le molecole di gas a forma di anello si sono svelate dopo essere state aperte dalla luce. Le misurazioni sono state compilate in sequenza come base per le animazioni al computer che mostrano il movimento molecolare. Credito: Video per gentile concessione dello SLAC National Accelerator Laboratory

Gli esperimenti scientifici ultraveloci aumentano la nostra comprensione di come le strutture atomiche, elettroniche e magnetiche si muovono e cambiano su scale temporali fondamentali. Ci aiutano anche a collegare questi risultati ai materiali e alle proprietà chimiche. Gli scienziati che studiano questi fenomeni acquisiscono nuove conoscenze su come progettare materiali con nuove proprietà e processi chimici più efficienti.

Fatti della scienza ultraveloce

  • Lo sviluppo di laser a elettroni liberi a raggi X è stata una svolta per la scienza ultraveloce.
  • Ahmed Zewail ha ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 1999 per aver inventato la “femtochimica”.
  • In un femtosecondo, la luce percorre solo 300 nanometri, una distanza paragonabile alle dimensioni di un virus.
  • Un femtosecondo sta a 1 secondo come 1 secondo sta a 30 milioni di anni.
  • Ad oggi, gli impulsi laser a raggi X più brevi erogati da LCLS durano 5 femtosecondi, all’incirca lo stesso tempo impiegato da una molecola per perdere un elettrone.
  • La maggior parte degli esperimenti ultraveloci coinvolge la capacità di impulso a tempo ridotto dei laser ottici. Questi impulsi laser possono quindi essere convertiti in altri tipi di impulsi. Il risultato è che i ricercatori possono personalizzare gli esperimenti scegliendo impulsi da una selezione di energia di radiazione elettromagnetica (compresi i raggi X) e particelle come gli elettroni.
  • La forma più comune di esperimento ultraveloce prevede un impulso di “pompa” per eccitare il materiale da studiare e, dopo un ritardo di tempo ultra-breve selezionato, un impulso di “sonda” per misurare una caratteristica nel campione. Gli scienziati variano il ritardo e misurano la storia temporale dello stato eccitato quando il sistema ritorna all’equilibrio. La pompa e la sonda possono essere di diversi tipi di impulsi, a seconda del tipo di eccitazione desiderata e del tipo di proprietà da misurare.

DOE Office of Science: Contributi alla scienza ultraveloce

Il DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences (BES) investe nella ricerca fondamentale e nelle strutture per l’utente per la scienza ultraveloce. Questa ricerca include indagini fondamentali sui cambiamenti nella struttura elettronica dei materiali e sul flusso di energia nei nuovi materiali e nei sistemi chimici.

Il Linac Coherent Light Source (LCLS) presso lo SLAC National Accelerator Laboratory è una struttura di prim’ordine per la ricerca scientifica ultraveloce. LCLS è stato il primo laser a elettroni liberi a raggi X duri al mondo. Utilizza potenti lampi di luce a raggi X, ciascuno della durata di 5 femtosecondi e un miliardo di volte più luminoso di quelli disponibili in precedenza, per scattare istantanee atomiche.

L’LCLS sarà ancora più potente quando SLAC completerà il lavoro sull’LCLS-II aggiornato. I ricercatori li mettono insieme per creare filmati di processi chimici e fisici.

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