Chiral high-HArmoNic Generation spEctroscopy of molecules in gas-phase

L'obiettivo principale del progetto è lo sviluppo e l'applicazione di un approccio teorico/computazionale congiunto per lo studio della spettroscopia di generazione di armoniche di ordine elevato (HHG) in molecole chirali mediante impulsi bicircolari a due colori. HHG è un processo fisico non lineare utilizzato per la produzione di impulsi ultracorti nella regione XUV, che vengono poi utilizzati per studiare i fenomeni ultraveloci nelle spettroscopie risolte nel tempo. Inoltre, lo stesso segnale HHG codifica informazioni sulla struttura elettronica e sulla dinamica del bersaglio, eventualmente accoppiate ai gradi di libertà nucleari. L'analisi del segnale HHG porta alla spettroscopia HHG, che viene applicata ad atomi, molecole, solidi e recentemente anche a liquidi. Analizzando il numero di armoniche generate, la loro intensità e forma fornisce una visione dettagliata, ad esempio, dei canali di ionizzazione e ricombinazione che si verificano nelle dinamiche di campo forte. Nel corso degli anni sono stati sviluppati numerosi modelli teorici di valore per spiegare e interpretare le caratteristiche dell'HHG, di cui il modello a tre fasi è il più noto. In origine, questi modelli trascurano la complessità della funzione d'onda elettronica di propagazione, utilizzando solo una formulazione approssimata degli stati fondamentali e continui. Molti effetti svelati dalla spettroscopia HHG sono invece dovuti agli effetti di correlazione elettronica, all'interferenza quantistica e ai contributi dello stato di Rydberg, che sono tutti adeguatamente catturati da un approccio ab initio della struttura elettronica. In questo progetto svilupperemo un approccio ab initio dipendente dal tempo basato sulla propagazione dell'equazione di Schrödinger dipendente dal tempo, in presenza di interazione magnetica ed, eventualmente, quadrupolare. Lo sviluppo teorico correrà in parallelo con quello sperimentale, in termini di generazione di "tailored" fields per la discriminazione chirale, registrazione della polarizzazione delle armoniche emesse, e dell'allineamento del campione molecolare. Le tecniche sviluppate verranno prima applicate a piccole molecole chirali come casi di riferimento. Saremo interessati allo studio delle regole di selezione e polarizzazione delle armoniche emesse, insieme alla combinazione di campo appropriato e simmetria molecolare per aumentare o sopprimere la risposta ottica.

The main goal of the present proposal is the development and application of a joint theoretical/computational approach for the study of high-harmonic generation (HHG) spectroscopy in chiral molecules by means of two-color bicircular pulses. HHG is a nonlinear physical process used for the production of ultrashort pulses in XUV region, which are then used for investigating ultrafast phenomena in time-resolved spectroscopies. Moreover, HHG signal itself encodes information on electronic structure and dynamics of the target, possibly coupled to the nuclear degrees of freedom. Investigating HHG signal leads to HHG spectroscopy, which is applied to atoms, molecules, solids and recently also to liquids. Analysing the number of generated harmonics, their intensity and shape gives a detailed insight of, e.g., ionisation and recombination channels occurring in the strong-field dynamics. A number of valuable theoretical models has been developed over the years to explain and interpret HHG features, with the three-step model being the most known one. Originally, these models neglect the complexity of the propagating electronic wavefunction, by only using an approximated formulation of ground and continuum states. Many effects unravelled by HHG spectroscopy are instead due to electron correlation effects, quantum interference, and Rydberg-state contributions, which are all properly captured by an ab initio electronic-structure approach. In this project we shall develop an ab initio time-dependent approach relying on the propagation of the time-dependent Schrödinger equation, in presence of magnetic interaction. Developed techniques will be first applied to small chiral molecules as benchmark cases. We shall be interested into studying selection rules and polarisation of the emitted harmonics, together with the combination of proper field and molecule symmetry to enhance or suppress the optical response.