I fisici del Laboratorio di fisica degli attosecondi (gestito congiuntamente da LMU Munich e dal Max Planck Institute for Quantum Optics) hanno sviluppato un microscopio elettronico ad attosecondi che consente loro di visualizzare la dispersione della luce nel tempo e nello spazio, e osservare i moti degli elettroni negli atomi.

La più elementare di tutte le interazioni fisiche in natura è quella tra luce e materia. Questa interazione avviene in attosecondi (cioè miliardesimi di miliardesimo di secondo). Ciò che accade esattamente in un tempo così sorprendentemente breve è rimasto finora in gran parte inaccessibile. Ora un gruppo di ricerca guidato dal Dr. Peter Baum e dal Dr. Yuya Morimoto presso il Laboratory for Attosecond Physics (LAP), un'impresa collaborativa tra LMU Monaco e il Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), ha sviluppato una nuova modalità di microscopia elettronica, che permette di osservare questa fondamentale interazione in tempo reale e spazio reale.

Per visualizzare i fenomeni che si verificano sulla scala degli attosecondi, come l'interazione tra luce e atomi, occorre un metodo che tenga il passo con i processi ultraveloci a una risoluzione spaziale su scala atomica. Per soddisfare questi requisiti, Baum e Morimoto sfruttano il fatto che gli elettroni, come particelle elementari, possiedono anche proprietà ondulatorie e possono comportarsi come i cosiddetti pacchetti d'onda. I ricercatori dirigono un fascio di elettroni su un sottile, foglio dielettrico, dove l'onda dell'elettrone è modulata dall'irraggiamento con un laser orientato ortogonalmente. L'interazione con il campo ottico oscillante accelera e decelera alternativamente gli elettroni, che porta alla formazione di un treno di impulsi ad attosecondi. Questi pacchetti d'onda sono costituiti da circa 100 impulsi individuali, ognuno dei quali dura circa 800 attosecondi.

Ai fini della microscopia, questi treni di impulsi di elettroni hanno un grande vantaggio rispetto alle sequenze di impulsi ottici ad attosecondi:hanno una lunghezza d'onda molto più corta. Possono quindi essere impiegati per osservare particelle con dimensioni inferiori a 1 nanometro, come gli atomi. Queste caratteristiche rendono i treni di impulsi elettronici ultracorti uno strumento ideale con cui monitorare, in tempo reale, i processi ultraveloci avviati dall'impatto delle oscillazioni luminose sulla materia.

Nelle loro prime due prove sperimentali del nuovo metodo, i ricercatori di Monaco hanno trasformato i loro treni di impulsi ad attosecondi su un cristallo di silicio, e sono stati in grado di osservare come si propagano i cicli di luce e come vengono rifratti i pacchetti di onde di elettroni, diffratto e disperso nello spazio e nel tempo. Nel futuro, questo concetto permetterà loro di misurare direttamente come si comportano gli elettroni nel cristallo in risposta ai cicli di luce, l'effetto primario di ogni interazione luce-materia. In altre parole, la procedura raggiunge la risoluzione subatomica e del ciclo sub-luce, ei fisici del LAP possono ora monitorare queste interazioni fondamentali in tempo reale.

Il loro prossimo obiettivo è generare pacchetti di onde di elettroni ad attosecondi singoli, per seguire con ancora maggiore precisione ciò che accade durante le interazioni subatomiche. Il nuovo metodo potrebbe trovare applicazione nello sviluppo di metamateriali. I metamateriali sono artificiali, ovvero nanostrutture ingegnerizzate, la cui permittività elettrica e permeabilità magnetica differiscono notevolmente da quelle dei materiali convenzionali. Questo a sua volta dà luogo a fenomeni ottici unici, che aprono nuove prospettive nell'ottica e nell'optoelettronica. Infatti, i metamateriali potrebbero servire come componenti di base nei futuri computer azionati dalla luce.