Utilizzando la spettroscopia di fotoemissione risolta nel tempo all’avanguardia, i ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia e dell’Università di Stanford hanno osservato direttamente come la luce assorbita da un metallo eccita i suoi elettroni, facendo luce sui processi fondamentali che sono alla base di molti dispositivi optoelettronici.

Quando la luce colpisce un metallo, la sua energia può eccitare gli elettroni, facendoli saltare dai livelli energetici più bassi a quelli più alti. Questo processo, noto come fotoeccitazione, è fondamentale per un’ampia gamma di tecnologie, tra cui celle solari, fotodiodi e diodi emettitori di luce (LED). Tuttavia, l’esatta sequenza degli eventi che si verificano durante la fotoeccitazione è rimasta sfuggente.

Ora, i ricercatori hanno catturato una sequenza dettagliata di questi eventi in tempo reale, fornendo un’osservazione diretta di come la luce eccita gli elettroni in un metallo. Il team ha effettuato gli esperimenti presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) dello SLAC e ha utilizzato un laser ultraveloce per eccitare gli elettroni in una sottile pellicola di metallo. Hanno quindi utilizzato uno spettrometro a fotoemissione risolta nel tempo per misurare l’energia e la quantità di moto degli elettroni eccitati in funzione del tempo.

I risultati, pubblicati sulla rivista Nature, rivelano che la fotoeccitazione avviene in una serie di passaggi. Innanzitutto, la luce viene assorbita dal metallo, creando una coppia elettrone-lacuna. L'elettrone e la lacuna accelerano quindi rapidamente in direzioni opposte a causa dei campi elettrici creati dall'onda luminosa. Infine, l’elettrone e la lacuna si ricombinano, emettendo un fotone di luce.

I ricercatori sono stati in grado di osservare direttamente questo processo utilizzando un impulso laser ultracorto per eccitare gli elettroni. Ciò ha permesso loro di catturare la dinamica del processo di fotoeccitazione su una scala temporale di femtosecondi (10-15 secondi).

"Ora possiamo vedere esattamente cosa succede quando la luce colpisce un metallo", ha detto Philip Heimann, professore di fisica applicata alla Stanford University e coautore dello studio. "Si tratta di una comprensione fondamentale di un processo essenziale per molti dispositivi optoelettronici."

Le scoperte del team potrebbero portare allo sviluppo di nuovi dispositivi optoelettronici più efficienti e con tempi di risposta più rapidi. Potrebbero anche aiutare i ricercatori a capire come la luce interagisce con altri materiali, come semiconduttori e isolanti.