I microscopi di luce visibile consentono agli scienziati di vedere piccoli oggetti come le cellule viventi. Ancora, non possono discernere come gli elettroni sono distribuiti tra gli atomi nei solidi. Ora, ricercatori con il Prof. Eleftherios Goulielmakis degli Extreme Photonics Labs dell'Università di Rostock e del Max Planck Institute of Quantum Optics a Garching, Germania, insieme ai collaboratori dell'Istituto di Fisica dell'Accademia Cinese delle Scienze di Pechino, hanno sviluppato un nuovo tipo di microscopio ottico, chiamato il Picoscope, che supera questo limite.

I ricercatori hanno utilizzato potenti flash laser per irradiare pellicole sottili di materiali cristallini. Questi impulsi laser guidavano gli elettroni di cristallo in un rapido movimento oscillatorio. Quando gli elettroni rimbalzano sugli elettroni circostanti, emettevano radiazioni nella parte ultravioletta estrema dello spettro. Analizzando le proprietà di questa radiazione, i ricercatori hanno composto immagini che illustrano come la nuvola di elettroni è distribuita tra gli atomi nel reticolo cristallino dei solidi con una risoluzione di poche decine di picometri, che sono miliardesimi di millimetro. Gli esperimenti aprono la strada a una nuova classe di microscopi laser che potrebbe consentire ai fisici, chimici, e scienziati dei materiali per scrutare i dettagli del microcosmo con una risoluzione senza precedenti e per comprendere ed eventualmente controllare le proprietà chimiche ed elettroniche dei materiali.

Per decenni, gli scienziati hanno utilizzato lampi di luce laser per comprendere il funzionamento interno del microcosmo. Tali lampi laser possono ora tracciare processi microscopici ultraveloci all'interno dei solidi. Ancora, non possono risolvere spazialmente gli elettroni, cioè., guarda come gli elettroni occupano il minuscolo spazio tra gli atomi nei cristalli, o come formano i legami chimici che tengono insieme gli atomi. Ernst Abbe ne scoprì il motivo più di un secolo fa. La luce visibile può discernere solo oggetti di dimensioni commisurate alla sua lunghezza d'onda, che è di circa poche centinaia di nanometri. Ma per vedere gli elettroni, i microscopi devono aumentare il loro potere di ingrandimento di qualche migliaio di volte.

Per superare questo limite, Goulielmakis e colleghi hanno preso una strada diversa. Hanno sviluppato un microscopio che funziona con potenti impulsi laser. Hanno soprannominato il loro dispositivo un Light Picoscope. "Un potente impulso laser può costringere gli elettroni all'interno dei materiali cristallini a diventare i fotografi dello spazio che li circonda, " ha detto Harshit Lakhotia, un ricercatore del gruppo.

Quando l'impulso laser penetra all'interno del cristallo, può afferrare un elettrone e guidarlo in un rapido movimento dimenando. "Mentre l'elettrone si muove, sente lo spazio intorno, proprio come la tua auto sente la superficie irregolare di una strada accidentata, " disse Lakhotia. Quando gli elettroni guidati dal laser attraversano una protuberanza fatta da altri elettroni o atomi, decelera ed emette radiazioni ad una frequenza molto più alta di quella dei laser. "Registrando e analizzando le proprietà di questa radiazione, possiamo dedurre la forma di questi piccoli urti, e possiamo disegnare immagini che mostrano dove la densità elettronica nel cristallo è alta o bassa, " disse Hee-Yong Kim, un ricercatore di dottorato negli Extreme Photonics Labs. "La picoscopia laser combina la capacità di scrutare la massa dei materiali, come i raggi X, e quello di sondare gli elettroni di valenza. Quest'ultimo è possibile mediante la scansione di microscopi a effetto tunnel, ma solo su superfici".

Sheng Meng, dell'Istituto di Fisica, Pechino, e un fisico teorico dello stato solido nel gruppo di ricerca, disse, "Con un microscopio in grado di sondare, la densità elettronica di valenza potremmo presto essere in grado di confrontare le prestazioni degli strumenti di fisica computazionale dello stato solido. Siamo in grado di ottimizzare moderno, modelli all'avanguardia per prevedere le proprietà dei materiali con dettagli sempre più fini. Questo è un aspetto entusiasmante che porta la picoscopia laser."

Ora, i ricercatori stanno lavorando per sviluppare ulteriormente la tecnica. Hanno in programma di sondare gli elettroni in tre dimensioni e di confrontare ulteriormente il metodo con un'ampia gamma di materiali, inclusi materiali 2-D e topologici. "Poiché la picoscopia laser può essere facilmente combinata con tecniche laser risolte nel tempo, potrebbe presto diventare possibile registrare filmati reali di elettroni nei materiali. Questo è un obiettivo a lungo cercato nelle scienze ultraveloci e nelle microscopie della materia, " Disse Goulielmakis.