Anche più di 100 anni dopo la spiegazione di Einstein sulla fotoemissione, il processo di emissione di elettroni da un materiale solido all'illuminazione con la luce pone ancora sorprese impegnative. Nel rapporto ora pubblicato sulla rivista Scienza impulsi di luce ultracorti sono stati impiegati per iniziare una corsa tra elettroni emessi da diversi stati iniziali in un materiale solido. Il tempismo di questa gara rivela un risultato inaspettato:gli elettroni più veloci arrivano all'ultimo posto.

Per la nuova pubblicazione i fisici dell'Università di Bielefeld (Germania) hanno collaborato con i colleghi del Donostia International Physics Center e dell'Università dei Paesi Baschi a San Sebastian (Spagna).

Il moto di un elettrone emesso è fortemente influenzato dalle interazioni all'interno dell'atomo da cui viene emesso l'elettrone. Gli elettroni fotoemessi da una superficie rimangono intrappolati per un po', confinato dinamicamente dalla barriera centrifuga attorno agli atomi. Il moto di questi elettroni intorno ai nuclei, prima di essere eventualmente emesso, è una specie di danza che porta a un'immagine intuitiva (vedi figura) che gli elettroni che rimangono più a lungo a danzare attorno all'atomo perdono la corsa e vengono emessi per ultimi. In contrasto, gli elettroni che vanno dritti vincono la gara. Questa osservazione ha richiesto una revisione dei modelli teorici comuni che descrivono la fotoemissione dai solidi, cioè questa interazione intraatomica iniziale doveva essere presa in considerazione e pone una nuova pietra angolare per futuri modelli migliorati del processo di fotoemissione dai solidi.

La risoluzione sperimentale dei piccoli ritardi nel processo di fotoemissione richiedeva la tempistica dell'evento di emissione, cioè il momento in cui l'elettrone lascia il materiale, con una risoluzione senza precedenti di 10 ^-17 secondi. Usain Bolt percorrerebbe in questo intervallo di tempo una distanza corrispondente al decimo del raggio di un nucleo atomico e anche la luce si propaga solo 3 nm (3x10 ⁹ m). Questa risoluzione difficilmente concepibile consente di cronometrare la corsa degli elettroni in esperimenti che sono stati eseguiti presso l'Università di Bielefeld utilizzando la spettroscopia laser risolta nel tempo ad attosecondi avanzata. La scelta del diseleniuro di tungsteno come materiale si è rivelata essenziale:fornisce quattro canali di emissione di fotoelettroni con diverse proprietà dello stato iniziale e l'eccezionale stabilità della superficie ha consentito la raccolta di dati a lungo termine migliorando la significatività statistica.

Per la spiegazione dell'esito della corsa degli elettroni si è rivelata essenziale una stretta collaborazione con un team di fisici teorici presso il Centro internazionale di fisica di Donostia e l'Università dei Paesi Baschi a San Sebastian. La modellizzazione quantitativa dei processi intraatomici e della propagazione degli elettroni nel cristallo semiconduttore ha dimostrato che il moto orbitante iniziale non deve essere trascurato se si considera la dinamica del processo di fotoemissione da un solido. Tuttavia, il modello teorico ottenuto rappresenta solo un primo passo nell'interpretazione della corsa degli elettroni misurata poiché il movimento intraatomico e la propagazione nel cristallo sono trattati separatamente. In futuro questi processi saranno trattati in un approccio unificato e la teoria così migliorata della fotoemissione aprirà nuove possibilità per testare sperimentalmente e migliorare la nostra comprensione del processo fondamentale della fotoemissione.

I progressi riportati nella comprensione della fotoemissione dai solidi sono diventati realizzabili sulla base di tecniche laser ad attosecondi sviluppate di recente. Il controllo della luce con risoluzione ad attosecondi apre affascinanti prospettive sulla dinamica degli elettroni su scala atomica. Mentre la spettroscopia a femtosecondi serviva a studiare e controllare il movimento atomico, La spettroscopia ad attosecondi ora affronta direttamente i fondamenti dell'interazione della luce con la materia. Oltre a una migliore comprensione dei fondamentali, queste tecniche offrono la possibilità di controllare i processi elettronici guidati dalla luce. La spettroscopia applicata si basa sull'accelerazione e decelerazione degli elettroni emessi in un intenso campo elettrico dipendente dal tempo. Sulla base di una migliore comprensione del processo di fotoemissione stesso, ciò servirà in futuri esperimenti per risolvere le variazioni dei campi luminosi con risoluzione subatomica, cioè su una scala fino ad ora non accessibile.