I risultati di un esperimento russo-giapponese spiegano il meccanismo della fotoemissione di elettroni da parte di nanostrutture metalliche sotto eccitazione laser ultraveloce. Gli insiemi di nanoparticelle metalliche sono in grado di emettere brevi fasci di elettroni quando irradiati da potenti impulsi laser di femtosecondi (1 fs =10 ^-15 e) durata. Gli scienziati della Lobachevsky University hanno studiato a lungo l'effetto plasmone:l'eccitazione da parte della luce delle oscillazioni elettroniche collettive nelle nanoparticelle e l'amplificazione del campo luminoso associato a queste oscillazioni in prossimità della nanoparticella, che gioca il ruolo principale in questo processo. È l'amplificazione plasmonica del campo che fornisce un'efficace fotoemissione di elettroni da un metallo.

Le prospettive per l'applicazione pratica delle nanostrutture plasmoniche sono associate al loro utilizzo come fotocatodi ultraveloci per creare sorgenti pulsate di radiazioni a raggi X coerenti ad alta luminosità e per produrre microscopi con elevata risoluzione temporale.

La fotoemissione di elettroni da nanoparticelle metalliche è accompagnata dall'emissione di radiazione terahertz (la sua gamma nella scala delle onde elettromagnetiche è compresa tra luce e microonde), che consente di utilizzare questa radiazione come strumento per lo studio della fotoemissione.

"L'intensità della radiazione terahertz dipende in modo non lineare dall'intensità dell'impulso laser e dimostra un elevato ordine di non linearità (da 3 a 6 in vari esperimenti). Sebbene il meccanismo della generazione di radiazione terahertz da parte dei fotoelettroni non sia completamente compreso, si ritiene che l'alto ordine di non linearità sia spiegato dalla natura multifotonica dell'emissione di elettroni, questo è, dalla necessità di trasferire energia da diversi fotoni laser all'elettrone per eseguire il lavoro per rilasciare l'elettrone dal metallo, " spiega Michael Bakunov, Capo del Dipartimento di Fisica Generale dell'Università Lobachevsky.

Per testare l'ipotesi di un meccanismo di fotoemissione multi-fotone, scienziati dell'Università Lobachevsky insieme ai loro colleghi giapponesi dell'Università di Shinshu, L'Università di Osaka e il Tokyo Institute of Technology hanno condotto un esperimento in cui la stessa nanostruttura metallica, una serie di nanotubi d'oro ("nanoforesta d'oro") è stata irradiata con potenti impulsi di luce ultracorti di varie lunghezze d'onda, da 600 nm a 1500 nm.

Il risultato è stato sorprendente. Nonostante il fatto che l'energia dei quanti differisse più del doppio, l'ordine di non linearità era approssimativamente lo stesso (4,5-4,8) per lunghezze d'onda da 720 a 1500 nm e ancora maggiore (6,6) per una lunghezza d'onda di 600 nm (con la più alta energia quantistica).

"Questi risultati smentiscono l'ipotesi dell'emissione multifotonica di elettroni. Allo stesso tempo, le dipendenze sperimentali sono in buon accordo con il meccanismo di emissione del tunnel, per cui gli elettroni vengono fatti fuoriuscire dal metallo da un campo luminoso potenziato da plasmoni, " conclude Michael Bakunov.

I risultati della ricerca di scienziati russi e giapponesi sono stati pubblicati su una delle principali riviste scientifiche, Rapporti scientifici