Al microscopio elettronico, gli elettroni sono emessi da punte metalliche appuntite, in modo che possano essere guidati e controllati con alta precisione. Recentemente, tali punte metalliche sono state utilizzate anche come sorgenti di elettroni ad alta precisione per generare raggi X. Un team di ricercatori della TU Wien (Vienna), insieme ai colleghi della FAU Erlangen-Nürnberg (Germania), hanno sviluppato un metodo per controllare le emissioni di elettroni con una precisione mai vista prima. Con l'aiuto di due impulsi laser, è ora possibile attivare e disattivare il flusso di elettroni su scale temporali estremamente brevi.

È solo la punta dell'ago

"L'idea di base ricorda un parafulmine, " dice Christoph Lemell (TU Wien). "Il campo elettrico intorno a un ago è sempre più forte proprio sulla punta. Ecco perché il fulmine colpisce sempre la punta di una canna, e per lo stesso motivo, gli elettroni lasciano un ago proprio sulla punta."

Gli aghi estremamente appuntiti possono essere fabbricati con i metodi della moderna nanotecnologia. La loro punta è larga solo pochi nanometri, quindi il punto in cui vengono emessi gli elettroni è noto con una precisione molto elevata. In aggiunta a ciò, è anche importante controllare in quale momento gli elettroni vengono emessi.

Questo tipo di controllo temporale è ora diventato possibile utilizzando un nuovo approccio:"Due diversi impulsi laser vengono sparati sulla punta di metallo, " spiega Florian Libisch (TU Wien). I colori di questi due laser sono scelti in modo tale che i fotoni di un laser abbiano esattamente il doppio dell'energia dei fotoni dell'altro laser. Inoltre, è importante assicurarsi che entrambe le onde luminose oscillino in perfetta sincronia.

Con l'ausilio di simulazioni al computer, il team di TU Wien è stato in grado di prevedere che un piccolo ritardo temporale tra i due impulsi laser può fungere da "interruttore" per l'emissione di elettroni. Questa previsione è stata ora confermata da esperimenti eseguiti dal gruppo di ricerca del professor Peter Hommelhoff presso la FAU Erlangen-Nürnberg. Sulla base di questi esperimenti, è ora possibile comprendere il processo in dettaglio.

Fotoni che assorbono

Quando un impulso laser viene sparato sulla punta di metallo, il suo campo elettrico può strappare elettroni dal metallo – questo è un fenomeno ben noto. La nuova idea è che una combinazione di due diversi laser può essere utilizzata per controllare l'emissione degli elettroni su una scala temporale di femtosecondi.

Esistono diversi modi in cui un elettrone può acquisire energia sufficiente per lasciare la punta di metallo:può assorbire due fotoni dal laser ad alta energia o quattro fotoni dal laser a bassa energia. Entrambi i meccanismi portano allo stesso risultato. "Proprio come una particella in un esperimento a doppia fenditura, che percorre contemporaneamente due strade diverse, l'elettrone può partecipare a due diversi processi contemporaneamente, " afferma il professor Joachim Burgdörfer (TU Wien). "La natura non deve scegliere una delle due possibilità:entrambe sono ugualmente reali e interferiscono l'una con l'altra".

Mettendo a punto con attenzione i due laser, è possibile controllare se i due processi fisici quantistici si amplificano a vicenda, che porta ad una maggiore emissione di elettroni, o se si annullano a vicenda, il che significa che quasi nessun elettrone viene emesso. Questo è un modo semplice ed efficace per controllare l'emissione di elettroni.

Non è solo un nuovo metodo per eseguire esperimenti con elettroni ad alta energia, la nuova tecnologia dovrebbe aprire le porte alla generazione controllata di raggi X. "Sorgenti di raggi X innovative sono già in fase di costruzione utilizzando array di sottili punte metalliche come sorgenti di elettroni, " dice Lemell. "Con il nostro nuovo metodo, queste nano punte potrebbero essere attivate esattamente nel modo giusto in modo da produrre una radiazione di raggi X coerente".