Development of an innovative UV pump - XUV attosecond probe setup for Attochemistry experiment

Ultrashort laser pulses offer an unprecedented ability to monitor and control electron dynamics in atoms, molecules, and solids, often revealing ultrafast non-adiabatic processes that are challenging to observe. To fully understand these phenomena, advanced experimental setups and techniques capable of probing ultrafast dynamics, while separating electronic and vibronic contributions, are essential. Time-Resolved PhotoElectron Spectroscopy (TRPES) is a powerful pump-probe technique for investigating non-adiabatic molecular dynamics. This thesis presents and characterizes an innovative laboratory setup for generating sub-3 fs UltraViolet (UV) pump and attosecond eXtreme UltraViolet (XUV) probe pulses, achieving TRPES measurements with an unprecedented temporal resolution of 3 fs. This setup is among the first of its kind to reach this level of temporal precision, incorporating notable technical innovations. Initially, a description and characterization of the beamline are provided, with a particular emphasis on the generation of UV pulses via Resonant Dispersive Wave (RDW) in Hollow Core Fiber (HCF), which allows easy spectral tunability of the pump pulse, as well as the generation of XUV pulses using a Semi-Infinite Gas Cell (SIGC). Subsequently, technical challenges arising within the setup are discussed, with a focus on system stabilization efforts to ensure consistent performance. Finally, a preliminary investigation of ultrafast non-adiabatic dynamics through Conical Intersection (CI) in pyrazine is presented to demonstrate the capabilities of the experimental setup. According to recent literature, pyrazine has not previously been studied with the high temporal resolution that this setup provides, highlighting the setup’s potential for advancing ultrafast molecular science and attochemistry.

Gli impulsi laser ultracorti offrono un’abilità senza precedenti nel monitorare e controllare le dinamiche degli elettroni in atomi, molecole e solidi, rivelando spesso processi non adiabatici ultraveloci che sono difficili da osservare. Per comprendere appieno questi fenomeni, sono necessari setup sperimentali avanzati e tecniche particolari capaci di sondare dinamiche ultraveloci, separando nel contempo i contributi elettronici e vibronici. La Spettroscopia Fotoelettronica Risolta nel Tempo (TRPES) è una potente tecnica pump-probe utilizzata per indagare le dinamiche molecolari non adiabatiche. Questa tesi presenta e caratterizza un innovativo setup di laboratorio per generare impulsi di pump nell’UltraVioletto (UV), con una durata inferiore a 3 fs, e impulsi di probe nell’eXtreme UltraViolet (XUV), con una durata nell’ordine degli attosecondi, raggiungendo misurazioni TRPES con una risoluzione temporale di 3 fs. Questo setup è tra i primi del suo genere a raggiungere tale livello di risoluzione temporale, incorporando innovazioni tecniche rilevanti. Inizialmente, viene fornita una descrizione e caratterizzazione della beamline, con particolare enfasi sulla generazione degli impulsi UV tramite Resonant Wave Dispersion (RDW) in Fibre Cave (HCF), che consente una facile sintonizzazione spettrale dell’impulso di pump, nonché sulla generazione di impulsi XUV tramite una Cella di Gas Semi-Infinita (SIGC). Successivamente, vengono discussi i problemi tecnici emersi nella realizzazione del setup, con particolare attenzione alla stabilizzazione necessaria per garantire prestazioni costanti. Infine, viene presentata una ricerca preliminare sulle dinamiche non adiabatiche ultraveloci attraverso le Intersezioni Coniche (CI) nella pirazina, per dimostrare le capacità del setup sperimentale. Secondo la letteratura recente, la pirazina non è stata precedentemente studiata con una risoluzione temporale così elevata come quella di questo setup: questo evidenzia il suo potenziale nel progredire gli studi sulle molecole caratterizzate da dinamiche ultraveloci e sull’attochimica.