Il Politecnico di Milano ha portato a 3 femtosecondi la risoluzione temporale della spettroscopia di fotoelettroni risolta nel tempo. È tre volte più fine dei circa 10 femtosecondi raggiunti dallo stesso gruppo nel 2024.
Il film dell'acetilacetone, due passaggi mai separati prima
Lo studio esce su Nature Communications e firma il nuovo record per la spettroscopia di fotoelettroni risolta nel tempo. Il team ha usato l'acetilacetone come molecola modello perché il suo stato elettronico eccitato è ben caratterizzato in letteratura, condizione utile per leggere i segnali.
L'apparato combina due impulsi luminosi sincronizzati con precisione estrema. Il primo è nell'ultravioletto e dura pochi femtosecondi: viene assorbito dalla molecola e ne avvia l'evoluzione. Il secondo arriva pochi attosecondi dopo, nell'estremo ultravioletto, e fotografa lo stato elettronico in quell'istante preciso.
Il risultato più tangibile è aver distinto due passaggi consecutivi attraverso un'intersezione conica, lo snodo in cui la molecola cambia stato elettronico e sceglie il percorso di trasformazione. Fino a oggi quei due passaggi apparivano sovrapposti.
Il lavoro è firmato da Mauro Nisoli e Maurizio Reduzzi del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, con l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR, la Heriot-Watt University di Edimburgo e l'Università di Bologna.
Da 10 a 3 femtosecondi: due anni e un ERC Synergy da 11,7 milioni
Nel settembre 2024 la stessa équipe aveva fissato in meno di 10 femtosecondi il tempo di trasferimento di carica dopo l'assorbimento di luce in molecole donor-pi-acceptor, con uno studio pubblicato su Nature Chemistry. Il nuovo lavoro, in soli due anni, porta la stessa famiglia di esperimenti a una risoluzione tre volte più fine.
Il motore del salto è il progetto europeo ERC Synergy TOMATTO (grant 951224), finanziato dall'European Research Council con 11,7 milioni di euro, durata sette anni, da aprile 2021 a marzo 2028. Scheda ufficiale del grant TOMATTO sul portale CORDIS registra i tre coordinatori: Nisoli al Politecnico di Milano, Fernando Martín all'Universidad Autónoma de Madrid e Nazario Martín all'Universidad Complutense.
Il laboratorio di riferimento è l'Attosecond Research Center del Politecnico di Milano, una delle poche beamline europee attrezzate per esperimenti pump-probe UV/XUV su molecole organiche in fase gassosa. L'infrastruttura che oggi arriva a questa risoluzione è stata costruita e tarata proprio su quei fondi, in parallelo con i gruppi di Madrid che si occupano della sintesi delle molecole e dei modelli computazionali.
L'investimento TOMATTO non è solo attrezzatura: finanzia dottorandi, assegnisti e giovani ricercatori che allineano i laser, scrivono i codici di analisi e firmano gli articoli. È capitale umano formato sul posto, con un orizzonte di sette anni.
Perché conta per la ricerca italiana
L'attochimica, cioè la possibilità di osservare e in prospettiva controllare le reazioni chimiche agendo sul moto degli elettroni prima che si muovano i nuclei, è il filone in cui si gioca la generazione successiva alla fotochimica classica. La misura appena pubblicata sposta la frontiera di tre volte verso il basso in due anni e colloca il nodo milanese fra i pochi gruppi europei che oggi possono permettersela.
Il nodo lombardo ha più ricadute. L'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR partecipa a TOMATTO e in parallelo ha messo due processori fotonici in orbita insieme a D-Orbit, segno che la stessa filiera di tecnologie ottiche produce anche risultati applicati, non solo di ricerca di base.
Il quadro va letto accanto al Nobel per la fisica assegnato a Francis Halzen in ottobre: la fisica fondamentale, quando è finanziata su più anni, forma specialisti e dottorandi che poi lavorano sulle applicazioni. L'alternativa è la rincorsa continua, come succede in altri ambiti dove l'adozione dell'IA corre più veloce della formazione universitaria.
TOMATTO deve chiudere entro il 31 marzo 2028 con tecnologie trasferibili a materiali fotoattivi e conversione dell'energia solare. Il traguardo appena raggiunto, con oltre due anni di finanziamento residuo, lascia margine per nuove molecole e nuove misure.
Domande frequenti
Qual è il risultato principale ottenuto dal Politecnico di Milano nello studio sull'acetilacetone?
Il Politecnico di Milano ha raggiunto una risoluzione temporale di 3 femtosecondi nella spettroscopia di fotoelettroni risolta nel tempo, permettendo per la prima volta di distinguere due passaggi consecutivi nell'evoluzione elettronica della molecola di acetilacetone.
In cosa consiste la tecnica sperimentale utilizzata nell'esperimento?
La tecnica combina due impulsi luminosi sincronizzati, uno nell'ultravioletto che avvia l'evoluzione della molecola e uno nell'estremo ultravioletto che fotografa lo stato elettronico a intervalli di pochi attosecondi, consentendo di osservare con precisione i cambiamenti elettronici.
Qual è il ruolo del progetto europeo ERC Synergy TOMATTO in questa ricerca?
Il progetto TOMATTO, finanziato con 11,7 milioni di euro dall'ERC, ha permesso la realizzazione dell'infrastruttura sperimentale, il finanziamento di giovani ricercatori e dottorandi e il coordinamento tra vari istituti europei coinvolti nello studio.
Perché questo risultato è importante per la ricerca italiana e internazionale?
Questo risultato sposta significativamente la frontiera della spettroscopia ultrarapida, collocando il laboratorio milanese tra i pochi in Europa in grado di ottenere tali risoluzioni e rafforzando la competitività italiana nella ricerca d'avanguardia in attocimica.
Quali sono le possibili applicazioni future di queste tecnologie?
Il progetto TOMATTO punta a sviluppare tecnologie trasferibili a materiali fotoattivi e alla conversione dell'energia solare, aprendo la strada a nuove applicazioni sia in ricerca di base che in ambiti industriali avanzati.
