La creazione di fotoelettroni attraverso la ionizzazione è uno dei processi più fondamentali nell'interazione tra luce e materia. Ancora, rimangono profonde domande su come i fotoni trasferiscano il loro momento lineare agli elettroni. Con il primo studio al sub-femtosecondo del trasferimento di quantità di moto lineare del fotone durante un processo di ionizzazione, I fisici dell'ETH forniscono informazioni senza precedenti sulla nascita dei fotoelettroni.

L'interazione tra luce e materia è alla base sia di molti fenomeni fondamentali che di varie tecnologie pratiche. Il più famoso, nell'effetto fotoelettrico, gli elettroni sono emessi da un materiale che è esposto a luce di energia adeguata. L'origine del fenomeno rimase a lungo un enigma, e solo con l'avvento della teoria dei quanti - e grazie al genio di Albert Einstein - l'effetto fu compreso appieno. Einstein ricevette il Premio Nobel per la Fisica nel 1921 per la scoperta delle leggi sottostanti, e da allora l'effetto è stato sfruttato in applicazioni che vanno dalla spettroscopia ai dispositivi per la visione notturna. In alcuni casi importanti, il principio chiave è il trasferimento non di energia ma di quantità di moto lineare, o, impulso:dai fotoni agli elettroni. Questo è il caso, ad esempio, quando la luce laser viene utilizzata per raffreddare oggetti microscopici e macroscopici, o per comprendere il fenomeno della pressione di radiazione.

Nonostante l'importanza fondamentale del trasferimento di slancio, i dettagli precisi di come la luce trasmette il suo impulso alla materia non sono ancora completamente compresi. Uno dei motivi è che l'impulso trasferito cambia durante un ciclo ottico in modo estremamente veloce, tempi inferiori al femtosecondo. Finora, gli studi hanno rivelato principalmente informazioni sul comportamento medio temporale, aspetti mancanti dipendenti dal tempo del trasferimento di quantità di moto lineare durante la fotoionizzazione. Questa lacuna è stata ora colmata dal gruppo di Ursula Keller dell'Institute for Quantum Electronics, come riportano in un articolo pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura .

Hanno esaminato il caso di intensità laser elevate, dove più fotoni sono coinvolti nel processo di ionizzazione, e ha studiato quanto momento viene trasferito nella direzione della propagazione del laser. Per ottenere una risoluzione temporale sufficiente, hanno impiegato la cosiddetta tecnica attoclock, che è stato sviluppato e perfezionato nel laboratorio Keller nell'ultimo decennio. In questo metodo, si ottiene una risoluzione temporale ad attosecondi senza dover produrre impulsi laser ad attosecondi. Anziché, le informazioni sul vettore del campo laser rotante in luce polarizzata prossima a quella circolare vengono utilizzate per misurare il tempo relativo all'evento di ionizzazione con precisione ad attosecondi. Molto simile alla lancetta di un orologio:proprio ora questa lancetta dell'orologio sta ruotando attraverso un cerchio completo all'interno di un ciclo ottico della durata di 11,3 fs.

Con questo versatile strumento a portata di mano, i fisici dell'ETH sono stati in grado di determinare la quantità di moto lineare acquisita dagli elettroni a seconda di quando i fotoelettroni sono "nati". Hanno scoperto che la quantità di quantità di moto trasferita nella direzione di propagazione del laser dipende effettivamente da quando durante il ciclo di oscillazione del laser l'elettrone viene "liberato" dalla materia, nel loro caso atomi di xeno. Ciò significa che almeno per lo scenario che hanno esplorato, l'immagine della pressione di radiazione media nel tempo non è applicabile. intrigante, possono riprodurre quasi completamente il comportamento osservato all'interno di un modello classico, considerando che molti scenari di interazione luce-materia, come lo scattering Compton, può essere spiegato solo all'interno di un modello quantomeccanico.

Il modello classico doveva però essere esteso, tenere conto dell'interazione tra il fotoelettrone in uscita e lo ione xenon residuo. Questa interazione, mostrano nei loro esperimenti, induce un ulteriore ritardo di attosecondi nella temporizzazione del trasferimento di quantità di moto lineare rispetto alla previsione teorica per un elettrone libero nato durante l'impulso. Se tali ritardi sono una proprietà generale della fotoionizzazione o se si applicano solo al tipo di scenari indagati nel presente studio rimane per ora aperto. Ciò che è chiaro, però, è che con questo primo studio del trasferimento di quantità di moto lineare durante la ionizzazione sulla scala temporale naturale del processo, il gruppo Keller ha aperto una nuova entusiasmante strada per esplorare la natura fondamentale delle interazioni luce-materia, realizzando così una promessa centrale della scienza degli attosecondi.