Time-resolved ultrafast dynamics in isolated molecules

In contemporary physics, chemistry, and biology, considerable efforts are devoted to exploring fundamental processes on their intrinsic timescales. This requires the ability to monitor the evolution of a system with the appropriate spatial and temporal resolution to understand the underlying mechanisms. In a molecule, the processes of chemical bond breaking, forming, or geometrically changing subsequent to the absorption of a photon involve the ultrafast motion of electrons and nuclei (on a femtosecond timescale, 10^-15 s). My Ph.D activity was focused on conducting advanced experiments of time-resolved photoelectron spectroscopy (TR-PES), where a series of sequential photoelectron spectra were used to capture the evolution of the molecular system. My results contributed to the continuous development of innovative experimental techniques performed in the AMO (Atomic, molecular, and optical physics) community. In particular, I have explored the advantages of combining conventional TR-PES methods with the complementary site and chemical sensitive techniques (TR-XPS), when facing the complexities inherent to the investigation of ultrafast dynamics. These methods, supported by accurate quantum chemistry calculations, are essential for disentangling the nuclear and electronic motion in the initial stages of the dynamics.

In fisica, chimica e biologia grande interesse è rivolto allo studio in tempo reale di processi fondamentali. Ciò richiede la capacità di monitorare l'evoluzione del sistema con l' appropriata risoluzione temporale e spaziale per identificare nel dettaglio i meccanismi sottostanti. In una molecola, i processi di rottura, formazione o cambiamento geometrico dei legami chimici causati dall'assorbimento di un fotone inducono un rapido movimento degli elettroni e dei nuclei; tale moto avviene sulla scala temporale del femtosecondo 10^-15 s. Nel corso del mio dottorato mi sono occupato della realizzazione di esperimenti di spettroscopia di fotoelettroni risolta in tempo (TR-PES). In questo tipo di esperimenti, una sequenza di spettri di fotoelettroni viene usata per catturare l'evoluzione temporale del sistema molecolare. I risultati ottenuti nel corso del mio dottorato hanno contribuito al continuo sviluppo di tecniche sperimentali innovative portato avanti all'interno della comunità scientifica AMO che si occupa di fisica atomica, molecolare e ottica. In particolare, ho indagato i possibili vantaggi nel combinare metodi convenzionali di TR-PES con tecniche complementari aventi un'elevata sensibilità chimica e spaziale (TR-XPS) nello studio di dinamiche ultraveloci in molecole isolate. La combinazione di queste techniche, supportate da accurati calcoli computazionali di chimica quantistica, si è rivelata essenziale per separare il contributo nucleare ed elettronico nelle fasi iniziali della dinamica fotoindotta.