Molecular dynamics imaging by attosecond pulses

The work discussed in this thesis presents the principles of the high-order harmonic generation process with particular attention to the techniques implemented so far for the generation, characterization and application of isolated ultrashort XUV-pulses, with duration down to the attosecond temporal regime. One of the main topic and achievement of this thesis work it is the development of a new technique capable to generate high-energy isolated attosecond pulses based on ultrafast sub-cycle ionization dynamics. For the first time, we demonstrated the generation of 155-as isolated pulses with an energy of 2.1 nJ per pulse on target, thus showing an increase of one to three orders of magnitude of the energy currently achievable with the other known techniques. In the second part of the thesis we presented some application of attosecond pulse trains to study molecular dynamics. Attosecond pulse trains have been used both to retrieve structural information of aligned CO2 molecules by recording the angular distribution of the photoelectrons; and as an ultrafast probe toll to study XUV induced dissociation in H2 , D2 and O2 . Finally, we reported upon the investigation of relaxation mechanisms followed by molecular nitrogen after photoionization by an attosecond pulse train. We identified at least two main mechanisms leading to internal energy conversion which take place on a few-femtosecond time scale. In particular we demonstrated that, conversely to what observed for other diatomic molecules, autoionization in N2+ is possible and energetically favored even for short internuclear distances ∼ 3.2 Å and that another relaxation mechanism , with a time scale of the energy conversion observed of the order of ∼ 25 fs, does exist. Utrafast dynamics in molecules initiated by sudden absorption of XUV or soft-X-rays photons, at the basis of a number of important phenomena in nature, can reveal a high degree of complexity. Indeed, the imaging technique applied in this thesis to N2 molecules, in combination with few-fs or sub-fs XUV pulses, can be extended to complex molecular systems. Particularly relevant is the possibility to apply such a technique for the time-resolved investigation of photostability of deoxyribonucleic acid (DNA) exposed to the ultraviolet photons from the Sun which is intimately related to ultrashort lifetimes.

Il lavoro di questa tesi presenta i principi del processo di generazione di armoniche di ordine elevato con particolare attenzione alle tecniche note in letteratura per la generazione, caratterizzazione e applicazione di impulsi XUV ad attosecondi isolati. Uno dei maggior risultati presentati in questa tesi è lo sviluppo di una nuova tecnica, basata su dinamiche di ionizzazione ultraveloce, per la generazione di impulsi isolati ad attosecondi di alta energia. Per la prima volta, impulsi isolati della durata di 155 as ed energia di 2.1 nJ sono stati generati dimostrando un aumento tra uno e tre ordini di grandezza rispetto alle altre tecniche note. Nella seconda parte della tesi sono discusse alcune applicazioni. Treni di impulsi ad attosecondi sono stati utilizzati sia per ricavare informazioni sulla struttura di molecole di CO2 allineate partendo dalla misura della distribuzione angolare degli elettroni fotoemessi; sia come sonda ultraveloce per studiare la dissociazione indotta dalla radiazione XUV in molecole di H2, D2 e O2. In fine viene riportato lo studio dei meccanismi di rilassamento seguiti della molecola di azoto ionizzata da un treno di impulsi ad attosecondi. E’ stato possibile distinguere due principali meccanismi di conversione interna di energia che accadono in pochi femtosecondi. In particolare, si è dimostrato ch, contrariamente a quanto osservato per altre molecole diatomiche, per il primo ione della molecola di N2 è possibile un processo di autoionizzazione, energeticamente favorito anche per distanze internucleari piccole (∼ 3.2 Å) e che esiste un altro meccanismo di rilassamento veloce con constante di tempo di ∼ 25 fs. Le dinamiche ultraveloci innescate dall’assorbimento di un fotone XUV o X molle in molecole, sono alla base di molti importanti fenomeni naturali e possono essere caratterizzate da un alto grado di complessità. La tecnica di imaging in combinazione con impulsi della durata di pochi fs o meno, applicata in questa tesi allo studio della molecola di N2, può essere estesa a sistemi molecolari più complessi. Particolarmente rilevante è la possibile futura applicazione per lo studio risolto in tempo della fotostabilità dell’acido desossiribonucleico (DNA) esposto a fotoni ultravioletti prodotti dal sole che risulta essere intimamente connessa a dinamiche ultraveloci.