Con il sistema ultraveloce del Centro di Fisica dell'Università di Kiel (Germania), il comportamento degli elettroni può essere filmato dal vivo. Credito:Jürgen Haacks, CAU
Durante la trasformazione della luce in elettricità, come nelle celle solari, gran parte dell'energia luminosa in ingresso viene persa. Ciò è dovuto al comportamento degli elettroni all'interno dei materiali. Se la luce colpisce un materiale, stimola energeticamente gli elettroni per una frazione di secondo, prima che reimmettano l'energia nell'ambiente. A causa della loro durata estremamente breve di pochi femtosecondi (un femtosecondo è un quadrilionesimo di secondo), questi processi sono stati finora poco esplorati. Un team dell'Istituto di fisica sperimentale e applicata dell'Università di Kiel (CAU), sotto la direzione del professor Michael Bauer e del professor Kai Roßnagel, è ora riuscito a studiare lo scambio energetico degli elettroni con il loro ambiente in tempo reale, e quindi distinguendo le singole fasi. Nel loro esperimento, irradiavano grafite con un intenso, impulso di luce ultracorto e filmato l'impatto sul comportamento degli elettroni. Una comprensione completa dei processi fondamentali coinvolti potrebbe essere importante in futuro per applicazioni in componenti optoelettronici ultraveloci. Il team di ricerca ha pubblicato questi risultati nell'attuale edizione della rivista Lettere di revisione fisica .
Le proprietà di un materiale dipendono dal comportamento degli elettroni e degli atomi che lo costituiscono. Un modello base per descrivere il comportamento degli elettroni è il concetto del cosiddetto gas di Fermi, intitolato al premio Nobel Enrico Fermi. In questo modello, gli elettroni nel materiale sono considerati un sistema gassoso. In questo modo, è possibile descrivere le loro interazioni reciproche. Per seguire in tempo reale il comportamento degli elettroni sulla base di questa descrizione, il gruppo di ricerca di Kiel ha sviluppato un esperimento per indagini con risoluzione temporale estrema:se un campione di materiale viene irradiato con un impulso di luce ultraveloce, gli elettroni vengono stimolati per un breve periodo. Un secondo, l'impulso di luce ritardato rilascia alcuni di questi elettroni dal solido. Un'analisi dettagliata di questi consente di trarre conclusioni sulle proprietà elettroniche del materiale dopo la prima stimolazione con la luce. Una speciale telecamera filma come l'energia luminosa introdotta viene distribuita attraverso il sistema di elettroni.
Sviluppato a Kiel:uno dei sistemi più veloci al mondo
Con i suoi raggi di luce ultraveloci, il sistema Kiel è uno dei più veloci e potenti al mondo. Credito:Jürgen Haacks, CAU
La particolarità del sistema Kiel è la sua risoluzione temporale estremamente elevata di 13 femtosecondi. Questo la rende una delle fotocamere elettroniche più veloci al mondo. "Grazie alla brevissima durata degli impulsi luminosi utilizzati, siamo in grado di filmare dal vivo processi ultraveloci. Le nostre indagini hanno dimostrato che qui sta accadendo una quantità sorprendente di cose, " ha spiegato Michael Bauer, professore di dinamica ultraveloce alla CAU. Ha sviluppato il sistema, insieme al gruppo di lavoro di Kai Roßnagel, professore di ricerca sullo stato solido con radiazione di sincrotrone.
Nel loro attuale esperimento, il team di ricerca ha irradiato un campione di grafite con un breve, intenso impulso di luce della durata di soli sette femtosecondi. La grafite è caratterizzata da una semplice struttura elettronica. Così, processi fondamentali possono essere osservati particolarmente chiaramente. Nell'esperimento, le particelle di luce impattanti, chiamate anche fotoni, hanno disturbato l'equilibrio termico degli elettroni. Questo equilibrio descrive una condizione in cui tra gli elettroni prevale una temperatura precisamente definibile. Il team di ricerca di Kiel ha poi filmato il comportamento degli elettroni, fino al ripristino dell'equilibrio dopo circa 50 femtosecondi.
Le registrazioni cinematografiche mostrano per la prima volta come cambia la distribuzione di energia in un campione di grafite nel periodo ultracorto di 50 femtosecondi. Credito:Phys. Rev. Lett
Numerose interazioni in un periodo estremamente breve
Così facendo, gli scienziati hanno osservato numerosi processi di interazione degli elettroni eccitati con i fotoni impattanti, così come atomi e altri elettroni nel materiale. Sulla base delle riprese del film, potevano anche distinguere diverse fasi all'interno di questo brevissimo periodo:prima di tutto, gli elettroni irradiati hanno assorbito l'energia luminosa dei fotoni nella grafite, e quindi la trasformò in energia elettrica. Quindi l'energia è stata distribuita ad altri elettroni, prima che lo trasmettessero agli atomi circostanti. In quest'ultimo processo, l'energia elettrica viene infine convertita in modo permanente in calore; la grafite si scalda.
Anche gli esperimenti del team di ricerca di Kiel confermano per la prima volta le previsioni teoriche. Consentono una nuova prospettiva su un argomento di ricerca che è stato appena studiato su una scala temporale così breve. "Attraverso le nostre nuove possibilità tecniche, questi fondamentali, processi complessi possono essere osservati direttamente per la prima volta, " ha affermato Bauer. Questo approccio potrebbe essere applicato anche in futuro per studiare e ottimizzare i movimenti ultraveloci di elettroni agitati dalla luce in materiali con proprietà ottiche promettenti.
