Le molecole organiche chirali sono di ampio interesse in tutte le scienze naturali: dalla omochiralità mostrata da zuccheri ed amminoacidi nel campo biologico, alla selettiva attività di una solo enantiomero nell'industria farmaceutica . Appare quindi evidente che lo studio di questa classe di molecole sia rilevante non solo nella ricerca di base, ma anche in campi applicativi ed industriali. Negli ultimi anni è stata sviluppata una tecnica avanzata nello studio di sistemi chirali, basata su radiazione ionizzante di sincrotrone circolarmente polarizzata, nota come Dicroismo Circolare in Fotoemissione (PECD) (Bowering et al., Phys. Rev. Lett., vol. 86, 2001, I. Powis, Adv. Chem. Phys, vol. 138, 2008). Questa tecnica si basa sulla asimmetria osservata nella distribuzione angolare dei fotoelettroni emessi da molecole di enantiomeri puri casualmente orientate. In tale caso, l'intensità dei fotoelettroni è una funzione della sezione d'urto totale, del parametro di asimmetria ß, e del coefficiente dicroico D, quest'ultimo legato proprio alle proprietà chiro-ottiche di una specifica forma enantiomerica. Nella prospettiva di applicare tale metodologia in uno studio combinato sperimentale-teorico nell'ambito del riconoscimento enantiomerico, il progetto qui presentato propone lo studio di una molecola chirale modello, l'epicloridrina, con l'obiettivo di determinarne sperimentalmente le osservabili del processo di fotoemissione, i.e. la sezione d'urto integrale, il parametro di asimmetria ed il coefficiente dicroico, rilevante nello studio delle proprietà chirali. La fase sperimentale verrà principalmente svolta presso i laboratori del Sincrotrone ELETTRA di Trieste mediante l'utilizzo di radiazione VUV linearmente e circolarmente polarizzata. Nello stesso contesto l'attività di ricerca include anche uno studio parallelo delle proprietà di dimeri di molecole chirali, in esperimenti pump/probe con radiazione FEL-IR, in collaborazione con l'università di Goteborg.
La spettroscopia di fotoemissione in dicroismo circolare (PECD) presenta notevoli vantaggi rispetto alla tradizione spettroscopia in assorbimento in dicroismo circolare, primo fra tutti il notevole guadagno nella differenza di intensità tra i segnali fotoelettronici derivanti dalle due elicità nella determinazione del coefficiente dicroico D. Tuttavia tale tecnica necessita la conoscenza delle altre due osservabili del processo di fotoemissione, la sezione d'urto integrale ed il parametro di asimmetria, per poter ricavare il parametro D dalla misura dell'intensità del segnale di fotoemissione ad un determinato angolo. Una possibile soluzione è rivelare i fotoelettronici al cosiddetto "angolo magico" (54.7°) rispetto alla direzione di polarizzazione della radiazione, in modo da eliminare la dipendenza dal parametro di asimmetria, riducendo però l'intensità di un fattore 0.58 (I. Powis, Adv. Chem. Phys, vol. 138, 2008), Tale problematica può essere ridotta utilizzando come spettrometro un Velocity Map Imaging (VMI), il quale presenta in media una intensità del segnale maggiore comparata ad uno spettrometro fotoelettronico emisferico di fotoelettroni, in quanto raccoglie il segnale nell'intero angolo solido, perdendo tuttavia sia in risulozione spettrale che nell'intervallo di energie cinetiche misurabile. L'apparato sperimentale adoperato nello studio proposto nel presente progetto presenta in tale senso diversi vantaggi: innanzitutto la possibilità di escursione dell'intero analizzatore da 0° a 90° permette la misurazione simultanea delle tre osservabili fisiciche del processo di fotoemissione, inoltre esso è predisposto per una configurazione sperimentale in cui la direzione di propagazione della radiazione ionizzante è parallela all¿asse dell'analizzatore, configurazione in cui l'effetto dicroico è massimo. Le prestazioni strumentali aumentano considerevolmente se combinate con la radiazione di Sincrotrone, caratterizzata da un alto grado di monocromatizzazione, elevata intensità, e possibilitò di avere sia fotoni con polarizzazione circolare, che fotoni con polarizzazione lineare. L'aspetto innovativo tra i più importanti è che il sistema di rivelazione fotoelettronico a singolo canale (singolo channeltron), attualmente utilizzato nella stazione di misura ARPES-TPES operante ad Elettra, verrà nel corso del presente progetto sostituito con un sofisticato rivelatore bidimensionale, di tipo position sensitive, che utilizzerà una sezione attiva di rivelazione maggiore di un fattore circa 78. Il nuovo rivelatore, che utilizza la tecnologia delle crossed-delay-lines, si basa su un elettronica molto veloce ad alta risoluzione temporale che è particolarmente adatta per sviluppare, nel prossimo futuro, schemi sperimentali di coincidenze elettrone-ione. Tali modalità di coincidenza permetteranno di ottenere simultaneamente informazioni sia sugli aspetti energetici dalla rivelazione dei fotoelettroni, sia quelli relativi alla dissociazione molecolare mediante rivelazione a tempo di volo degli ioni.
Un ulteriore sviluppo nello studio delle proprietà chiro-ottiche di sistemi molecolari chirali si otterrà con l'uso della spettroscopia IR con radiazione FEL combinata a radiazioni ionizzanti nel VUV, in esperimenti pump/probe, con l'obbiettivo di ottenere informazioni strutturali in oligomeri di molecole chirali in fase gassosa. Tale approccio sperimentale fornisce diversi vantaggi: i) permette la caratterizzazione IR di molecole di struttura arbitraria, ii) l'utilizzo di fasci supersonici permette di raggiungere un raffreddamento interno molecolare fino a temperature rotazionali di 10-20K, iii) gli spettri IR degli oligomeri e dello ione parente vengono registrati simultaneamente (V. Yatsina et al, Phys. Rev. Lett., vol. 117, 2016).