Gli scienziati dell'EPFL sono stati in grado di misurare il ritardo ultracorto nella fotoemissione di elettroni senza utilizzare un orologio. La scoperta ha importanti implicazioni per la ricerca fondamentale e la tecnologia all'avanguardia.

Quando la luce colpisce determinati materiali, fa sì che emettano elettroni. Questa si chiama "fotoemissione" ed è stata spiegata da Albert Einstein nel 1905, vincendogli il premio Nobel. Ma solo negli ultimi anni, con i progressi della tecnologia laser, gli scienziati sono stati in grado di avvicinarsi ai tempi incredibilmente brevi della fotoemissione. I ricercatori dell'EPFL hanno ora determinato un ritardo di un miliardesimo di un miliardesimo di secondo nella fotoemissione misurando lo spin degli elettroni fotoemessi senza la necessità di impulsi laser ultracorti. La scoperta è pubblicata su Lettere di revisione fisica .

Fotoemissione

La fotoemissione si è rivelata un fenomeno importante, formando una piattaforma per tecniche di spettroscopia all'avanguardia che consentono agli scienziati di studiare le proprietà degli elettroni in un solido. Una di queste proprietà è lo spin, una proprietà quantistica intrinseca delle particelle che le fa sembrare come se stessero ruotando attorno al loro asse. Il grado in cui questo asse è allineato verso una particolare direzione è indicato come polarizzazione di spin, che è ciò che dà alcuni materiali, come il ferro, proprietà magnetiche.

Sebbene ci siano stati grandi progressi nell'uso della fotoemissione e della polarizzazione di spin degli elettroni fotoemessi, la scala temporale in cui si svolge l'intero processo non è stata esplorata in dettaglio. Il presupposto comune è che, una volta che la luce raggiunge il materiale, gli elettroni vengono istantaneamente eccitati ed emessi. Ma studi più recenti che utilizzano la tecnologia laser avanzata hanno messo in dubbio questo, dimostrando che esiste effettivamente un ritardo temporale sulla scala degli attosecondi.

Tempo senza orologio

Il laboratorio di Hugo Dil all'EPFL, con i colleghi in Germania, ha mostrato che durante la fotoemissione, la polarizzazione di spin degli elettroni emessi può essere correlata ai ritardi temporali ad attosecondi della fotoemissione. Ma ancora più importante, hanno dimostrato questo senza la necessità di alcuna risoluzione o misurazione del tempo sperimentale, essenzialmente, senza bisogno di un orologio. Per fare questo, gli scienziati hanno utilizzato un tipo di spettroscopia di fotoemissione (SARPES) per misurare lo spin degli elettroni fotoemessi da un cristallo di rame.

"Con i laser puoi misurare direttamente il ritardo tra i diversi processi, ma è difficile determinare quando inizia un processo - tempo zero, "dice Mauro Fanciulli, uno studente di dottorato del gruppo di Dil e primo autore dell'articolo. "Ma nel nostro esperimento misuriamo il tempo indirettamente, quindi non abbiamo questo problema:potremmo accedere a uno dei tempi più brevi mai misurati. Le due tecniche [spin e laser], sono complementari, e insieme possono produrre un regno completamente nuovo di informazioni."

L'informazione sulla scala temporale della fotoemissione è inclusa nella funzione d'onda degli elettroni emessi. Questa è una descrizione quantistica della probabilità di trovare un dato elettrone in un dato momento. Utilizzando SAPRES, gli scienziati sono stati in grado di misurare lo spin degli elettroni, che a sua volta ha permesso loro di accedere alle loro proprietà della funzione d'onda.

"Il lavoro è una prova di principio che può innescare ulteriori ricerche fondamentali e applicate, " dice Hugo Dil. "Si occupa della natura fondamentale del tempo stesso e aiuterà a comprendere i dettagli del processo di fotoemissione, ma può anche essere utilizzato nella spettroscopia di fotoemissione su materiali di interesse." Alcuni di questi materiali includono grafene e superconduttori ad alta temperatura, che Dil e i suoi colleghi studieranno in seguito.