L’attività sperimentale del laboratorio è finalizzata allo studio di dinamiche ultraveloci in materiali avanzati, prevalentemente in fase solida, mediante tecniche di spettroscopia ad attosecondi. Partendo da impulsi infrarossi della durata di pochi cicli ottici (tra 4 e 7 femtosecondi) e sfruttando il fenomeno generazione di armoniche di ordine elevato, si ottengono impulsi nell’estremo ultravioletto con durate di poche centinaia di attosecondi. Tali impulsi vengono poi combinati con una porzione degli impulsi generanti per condurre esperimenti di “pump-probe” con elevata risoluzione temporale mediante tecniche di spettroscopiche ad attosecondi. In particolare, si vogliono studiare dinamiche elettroniche, eccitoniche e magnetiche in solidi avanzati con tecniche di riflettività e assorbimento transiente ad attosecondi. Lo studio di queste dinamiche permetterà di risolvere i meccanismi fisici alla base dell’interazione tra la radiazione e materia. I processi che avvengono in questa finestra temporale sono di fondamentale importanza in quando determinano il successivo sviluppo di dinamiche più lente (come quelle che coinvolgono deformazioni del reticolo cristallino), stabilendo l’intera risposta ottica del sistema.

Una conoscenza capillare dei fenomeni che avvengono nei primi attosecondi durante l’interazione tra il solido e il campo è quindi cruciale per poter dimensionare e ottimizzare le proprietà esotiche di nuovi materiali, con possibili implicazioni forti in molti campi tecnologici di rilievo (elettronica, spintronica, optoelettronica, fotovoltaico, etc.) .

Sorgente laser

Il sistema laser utilizzato nel laboratorio “Attosecond laboratory for advanced materials” è un laser a titanio-zaffiro (lunghezza d’onda centrale ~800 nm) operante con una cadenza di ripetizione di 10 kHz, un'energia per impulso di 2 mJ e fase assoluta stabilizzata. Questi impulsi vengono poi compressi mediante la tecnica della fibra cava, in combinazione con chirped mirrors a larga banda, fino a 4 fs con una energia di 1 mJ.

Beamline ad attosecondi

Impulsi ad attosecondi nella regione spettrale dell’estremo ultravioletto (XUV) sono prodotti focalizzando gli impulsi da pochi cicli ottici in uscita dal compressore a fibra cava in una cella contenente un gas nobile. La radiazione XUV generata viene poi focalizzata da uno primo specchio toroidale in una camera di interazione in cui si pone un campione in stato gassoso. Dopo questa camera, un secondo specchio toroidale colleziona e focalizza la radiazione in un secondo punto di interazione dove è posizionata la camera equipaggiata per lo studio di campioni solidi mediante tecniche di assorbimento e riflettività transiente. Il primo target può essere usato sia per condurre studi in fase gassosa che per calibrare le misure su campioni solidi effettuate nella seconda camera di interazione. In questo modo, la linea permette di eseguire misure di pump-probe con risoluzione temporale ad attosecondi e, simultaneamente, di caratterizzare completamente gli impulsi utilizzati.