La dinamica degli elettroni cambia leggermente a ogni interazione con un fotone. I fisici dell'ETH di Zurigo hanno ora misurato tale interazione nella sua forma probabilmente più pura, registrando i ritardi temporali su scala degli attosecondi associati alle transizioni di un fotone in un elettrone non legato.

L'effetto fotoelettrico, per cui i fotoni che incidono sulla materia causano l'emissione di elettroni, è uno degli effetti per eccellenza della meccanica quantistica. Einstein spiegò notoriamente il meccanismo chiave alla base del fenomeno nel 1905, guadagnandosi il Premio Nobel per la Fisica nel 1921. Ha costruito su un concetto introdotto cinque anni prima da Max Planck:l'energia elettromagnetica viene assorbita ed emessa solo in pacchetti discreti, cioè, in quanti. Il concetto quantistico ha rivoluzionato la fisica. L'effetto fotoelettrico, per la sua parte, è stato esplorato in modo sempre più dettagliato, ed è oggi sfruttato in applicazioni che vanno dalle celle solari agli occhiali per la visione notturna.

Un cambiamento nella comprensione dell'effetto è emerso negli ultimi dieci anni o giù di lì. Gli esperimenti laser hanno permesso di osservare direttamente l'intricata dinamica quantistica che si sviluppa sulla scala temporale degli attosecondi quando gli elettroni vengono rimossi dal loro sistema genitore quando interagiscono con la luce. Però, le misurazioni risolte nel tempo del processo di fotoionizzazione nella sua forma probabilmente più pura - l'assorbimento e l'emissione di singoli fotoni da parte di un singolo elettrone non legato - sono rimaste elusive, fino ad ora.

Scrivere sul diario ottica , Jaco Fuchs e colleghi del gruppo Ultrafast Laser Physics della Prof.ssa Ursula Keller presso l'Institute of Quantum Electronics, lavorare con collaboratori negli Stati Uniti, Austria e Spagna, riportano un esperimento in cui hanno misurato come l'assorbimento e l'emissione di singoli fotoni altera la dinamica di un elettrone che non è legato a un nucleo atomico, ma ha ancora il suo potenziale coulombiano. Introducendo un nuovo protocollo sperimentale, hanno scoperto che la dinamica dipende dal momento angolare dell'elettrone fotoionizzato. I ricercatori hanno misurato un ritardo fino a 12 attosecondi tra gli elettroni s e d in uscita nell'elio. Questa è una firma sottile ma inconfondibile degli effetti quantomeccanici sottostanti. E osservarono fenomeni fondamentali di origine classica, anche - hanno misurato i cambiamenti di fase indicando che in d-elettroni, la propagazione verso l'esterno è più lenta che negli elettroni s. Ciò può essere spiegato dalla maggiore frazione di energia rotazionale e quindi da un'energia radiale inferiore negli elettroni d.

Estrarre il contributo di singoli fotoni

Questi risultati segnano diversi primati. Il gruppo Keller ha aperto la strada a varie aree dell'attoscience, compresa la misurazione dei ritardi temporali ad attosecondi nella fotoionizzazione che si verificano quando gli elettroni fotoeccitati si propagano nel potenziale dello ione genitore, con conseguente ritardo di gruppo misurabile. La misurazione di questi ritardi temporali della scala degli attosecondi in genere coinvolge almeno due fotoni, rendendo eccezionalmente difficile estrarre il contributo di singoli fotoni. Fuchs et al. ora hanno trovato un modo per farlo.

Nel loro caso, sono coinvolti due fotoni, uno nell'estremo ultravioletto (XUV) e l'altro nell'infrarosso (IR). Ma hanno ideato una procedura di adattamento che ha permesso loro di estrarre dai loro dati di alta qualità le ampiezze e le fasi relative di tutti i percorsi quantistici attraverso i quali la fotoionizzazione procede nel loro sistema. In questo modo, sono stati in grado di isolare i contributi dei fotoni IR, quali sono quelli che inducono le transizioni in un elettrone non legato (mentre i fotoni XUV ionizzano l'atomo trasferendo un elettrone da uno stato legato al continuum).

Misurazione diretta dei ritardi derivanti da Bremsstrahlung

Non solo i fisici dell'ETH hanno avuto accesso ai ritardi temporali da qualsiasi transizione di un fotone, queste sono anche le prime misurazioni di tali ritardi temporali per l'assorbimento e l'emissione di fotoni da parte di elettroni non legati, un fenomeno noto come (inverso) Bremsstrahlung. I risultati sperimentali sono ben riprodotti da due metodi teorici indipendenti impiegati da Fuchs e colleghi. Queste simulazioni forniscono anche la prova che alcuni degli effetti osservati sono universali nel senso che sono indipendenti dalle specie atomiche dello ione genitore.

Questo lavoro illustra che 115 anni dopo il lavoro seminale di Einstein, l'effetto fotoelettrico non smette di ispirare. Gli strumenti introdotti da Fuchs e collaboratori forniscono nuove capacità sperimentali per lo studio delle dinamiche di fotoionizzazione, sia negli atomi che nelle piccole molecole. Tali studi potrebbero a loro volta fornire una comprensione più completa dei ritardi temporali della fotoemissione, in particolare in presenza di interazioni a medio-lungo raggio.