Per la prima volta, ingegneri e scienziati del Caltech sono stati in grado di osservare direttamente il movimento ultraveloce degli elettroni subito dopo essere stati eccitati con un laser e hanno scoperto che questi elettroni si diffondono nell'ambiente circostante molto più velocemente e più lontano di quanto previsto in precedenza.

Questo comportamento, noto come "super-diffusione, " era stato ipotizzato ma mai visto prima. Un team guidato da Marco Bernardi del Caltech e dal compianto Ahmed Zewail ha documentato il movimento degli elettroni utilizzando microscopi che hanno catturato immagini con una velocità dell'otturatore di un trilionesimo di secondo a una risoluzione spaziale su scala nanometrica. i risultati appaiono in uno studio pubblicato in Comunicazioni sulla natura l'11 maggio

Gli elettroni eccitati hanno mostrato una velocità di diffusione 1, 000 volte superiore a prima dell'eccitazione. Sebbene il fenomeno duri solo poche centinaia di trilionesimi di secondo, fornisce il potenziale per la manipolazione di elettroni caldi in questo regime veloce per trasportare energia e carica in nuovi dispositivi.

"Il nostro lavoro mostra l'esistenza di un transitorio veloce che dura poche centinaia di picosecondi, durante i quali gli elettroni si muovono molto più velocemente della loro velocità a temperatura ambiente, il che implica che possono coprire distanze maggiori in un dato momento se manipolati con i laser, "dice Bernardi, assistente professore di fisica applicata e scienza dei materiali nella divisione di ingegneria e scienze applicate del Caltech. "Questo comportamento di non equilibrio potrebbe essere impiegato in nuovi dispositivi elettronici, optoelettronico, e dispositivi per le energie rinnovabili, così come per scoprire nuova fisica fondamentale."

collega di Bernardi, Premio Nobel Ahmed Zewail, il professore di chimica Linus Pauling, professore di fisica, e direttore del Centro di biologia fisica per la scienza e la tecnologia ultraveloci al Caltech, scomparso il 2 agosto 2016.

La ricerca è stata resa possibile dalla microscopia elettronica a scansione ultraveloce, una tecnologia di imaging ultraveloce introdotta da Zewail in grado di creare immagini con risoluzioni spaziali di picosecondi e nanometri. Bernardi ha sviluppato la teoria ei modelli informatici che spiegano i risultati sperimentali come una manifestazione di super-diffusione.

Bernardi intende continuare la ricerca cercando di rispondere sia alle domande fondamentali sugli elettroni eccitati (come come si equilibrano tra loro e con le vibrazioni atomiche nei materiali) sia a quelle applicate, come il modo in cui gli elettroni caldi potrebbero aumentare l'efficienza dei dispositivi di conversione dell'energia come celle solari e LED.