Fisici dell'Università di Costanza, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU Monaco) e l'Università di Regensburg hanno dimostrato con successo che gli impulsi di elettroni ultracorti subiscono uno sfasamento quanto meccanico attraverso la loro interazione con le onde luminose nei materiali nanofotonici, che possono svelare la funzionalità dei nanomateriali. Gli esperimenti ei risultati corrispondenti sono riportati nell'ultimo numero di Progressi scientifici.

Materiali e metamateriali nanofotonici

Molti materiali presenti in natura possono influenzare le onde elettromagnetiche come la luce in tutti i modi diversi. Però, generare nuovi effetti ottici allo scopo di sviluppare celle solari particolarmente efficienti, dispositivi di occultamento o catalizzatori spesso richiedono strutture artificiali, cosiddetti metamateriali. Questi materiali raggiungono le loro straordinarie proprietà attraverso sofisticate strutturazioni su nanoscala, cioè attraverso una disposizione a griglia di blocchi costitutivi più piccoli su scale di lunghezza ben al di sotto della lunghezza d'onda dell'eccitazione.

La caratterizzazione e lo sviluppo di tali metamateriali richiedono una profonda comprensione di come si comportano le onde luminose incidenti quando colpiscono queste minuscole strutture e di come interagiscono con esse. Di conseguenza, le nanostrutture otticamente eccitate e i loro campi elettromagnetici vicini devono essere misurati a risoluzioni spaziali dell'ordine dei nanometri (~10 ^-9 m) e, allo stesso tempo, a risoluzioni temporali inferiori alla durata del ciclo di eccitazione (~10 ^-15 S). Però, questo non può essere ottenuto con la sola microscopia ottica convenzionale.

Diffrazione elettronica ultraveloce di nanostrutture eccitate otticamente

Contrariamente alla luce, gli elettroni hanno massa a riposo e quindi offrono 100, Risoluzione spaziale 000 volte migliore rispetto ai fotoni. Inoltre, gli elettroni possono essere utilizzati per sondare campi e potenziali elettromagnetici a causa delle loro cariche. Un team guidato dal professor Peter Baum (Università di Costanza) è ora riuscito ad applicare impulsi di elettroni estremamente brevi per ottenere tale misurazione. A quello scopo, la durata degli impulsi degli elettroni è stata compressa nel tempo mediante radiazione terahertz a tal punto che i ricercatori sono stati in grado di risolvere in dettaglio le oscillazioni ottiche dei campi elettromagnetici vicini alle nanostrutture.

Risoluzioni spaziali e temporali elevate

"La sfida di questo esperimento consiste nell'assicurarsi che la risoluzione sia sufficientemente elevata sia nello spazio che nel tempo. Per evitare effetti di carica spaziale, usiamo solo singoli elettroni per impulso e acceleriamo questi elettroni a energie di 75 kiloelettronvolt, " spiega il professor Peter Baum, ultimo autore dello studio e capo del gruppo di lavoro per la luce e la materia presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Costanza. Quando viene disperso dalle nanostrutture, questi impulsi di elettroni estremamente brevi interferiscono con se stessi a causa delle loro proprietà quantomeccaniche e generano un'immagine di diffrazione del campione.

Interazione con i campi e potenziali elettromagnetici

Lo studio delle nanostrutture eccitate otticamente si basa sul noto principio degli esperimenti pump-probe. Dopo l'eccitazione ottica dei campi vicini, l'impulso elettronico ultracorto arriva in un momento definito e misura i campi congelati nel tempo nello spazio e nel tempo. "Secondo le previsioni di Aharonov e Bohm, gli elettroni sperimentano uno sfasamento quantomeccanico della loro funzione d'onda quando viaggiano attraverso potenziali elettromagnetici, " spiega Kathrin Mohler, un ricercatore di dottorato presso LMU Monaco e primo autore dello studio. Questi sfasamenti indotti otticamente forniscono informazioni sulla dinamica ultraveloce della luce nelle nanostrutture, fornendo infine una sequenza di immagini simile a un film che rivela l'interazione della luce con le nanostrutture.

Un nuovo regime di applicazione per l'olografia elettronica e la diffrazione

Questi esperimenti illustrano come l'olografia elettronica e la diffrazione possono essere sfruttate in futuro per migliorare la nostra comprensione delle interazioni fondamentali tra luce e materia alla base dei materiali e dei metamateriali nanofotonici. A lungo termine, questo può anche portare allo sviluppo e all'ottimizzazione di ottiche compatte, nuove celle solari o catalizzatori efficienti.