Un esperimento XFEL chiarisce come la luce estrema modifica la struttura degli atomi

Il comportamento della materia quando viene investita da luce estremamente intensa continua a offrire sorprese, soprattutto quando si esplora la zona più profonda degli atomi. Al centro dell’ultimo risultato ottenuto al laboratorio European XFEL c’è il krypton, un gas nobile normalmente tranquillo che, sottoposto a 5.000 lampi di raggi X al secondo, ha mostrato un fenomeno rarissimo: la formazione di un doppio core-hole, cioè l’eccitazione simultanea di due elettroni negli strati più interni. Un evento che modifica radicalmente la struttura elettronica e che fino a oggi era rimasto quasi impossibile da osservare con chiarezza.

Per comprenderne l’importanza occorre ricordare che quando un fotone X colpisce un atomo e spinge un elettrone dei livelli profondi verso un’energia superiore, si apre una finestra temporale minuscola – pochi femtosecondi, un milionesimo di miliardesimo di secondo – in cui può avvenire un secondo assorbimento. È un attimo talmente veloce che nella maggior parte dei casi viene “coperto” dal rimescolamento degli altri elettroni. Il team ha aggirato questo ostacolo utilizzando krypton altamente ionizzato, nello specifico Kr26+, cioè con solo dieci elettroni rimasti. Una configurazione estrema che ha semplificato enormemente la lettura dei segnali, riducendo il rumore di fondo e permettendo di distinguere i passaggi chiave del doppio assorbimento.

La collaborazione tra European XFEL e Max Planck Institute for Nuclear Physics ha sfruttato uno dei fasci laser più intensi al mondo, capace di concentrare energia sufficiente a innescare il processo con una precisione mai raggiunta. Un elemento decisivo è stato lo “sovrapporsi” quasi perfetto delle energie necessarie per eccitare i due elettroni del core: la risonanza è talmente vicina che lo stesso fascio monocromatico, con una larghezza spettrale di appena lo 0,5%, è riuscito a guidare entrambi i passaggi. I ricercatori spiegano che questa coincidenza nasce da effetti relativistici, che modificano leggermente la struttura delle orbite elettroniche negli ioni molto pesanti.

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