Quasi un secolo fa, Albert Einstein ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica per la sua spiegazione dell'effetto fotoelettrico. Pubblicato nel 1905, La teoria di Einstein incorporava l'idea che la luce fosse costituita da particelle chiamate fotoni. Quando la luce colpisce la materia, gli elettroni nel campione rispondono all'input di energia, e l'interazione dà luogo a quello che è noto come effetto fotoelettrico. I quanti di luce (fotoni) vengono assorbiti dal materiale ed eccitano gli elettroni legati. A seconda della lunghezza d'onda della sorgente luminosa, questo può provocare l'espulsione di elettroni. La struttura a bande elettroniche del materiale coinvolto ha un effetto significativo sui tempi di fotoemissione. I fisici della Ludwig-Maximilian University (LMU) di Monaco di Baviera e del Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ) hanno ora esaminato più da vicino il fenomeno della fotoemissione. Hanno misurato l'influenza della struttura a bande del tungsteno sulla dinamica dell'emissione di fotoelettroni, e fornire interpretazioni teoriche delle loro osservazioni.

Questo è ora possibile grazie allo sviluppo e al continuo perfezionamento della tecnologia ad attosecondi. Un "attosecondo" corrisponde a 10 ^-18 di un secondo, cioè un miliardesimo di miliardesimo di secondo. La capacità di generare in modo riproducibile treni di impulsi di luce laser che durano poche centinaia di attosecondi consente ai ricercatori di seguire il corso della fotoemissione "congelando l'azione" a intervalli regolari, analogamente a uno stroboscopio, ma con una risoluzione temporale di gran lunga migliore.

In una serie di esperimenti di spettroscopia fotoelettronica, il team ha utilizzato impulsi ad attosecondi di luce ultravioletta estrema per sondare la dinamica della fotoemissione da un cristallo di tungsteno. Ogni impulso conteneva poche centinaia di fotoni di raggi X, ciascuno abbastanza energico da rimuovere un fotoelettrone. Con l'ausilio di rilevatori montati davanti al cristallo, il team è stato in grado di caratterizzare gli elettroni espulsi in termini di tempi di volo e angoli di emissione.

I risultati hanno rivelato che gli elettroni che interagiscono con i fotoni in ingresso impiegano un po' di tempo per reagire a tali incontri. Questa scoperta è stata resa possibile dall'adozione di un nuovo approccio alla generazione di impulsi ad attosecondi. Grazie all'introduzione di un risonatore a cavità passiva con un fattore di potenziamento di 35, la nuova configurazione può ora produrre impulsi ad attosecondi a una velocità di 18,4 milioni al secondo, circa 1000 volte superiore a quello precedentemente comune in sistemi comparabili. Poiché la frequenza di ripetizione degli impulsi è così alta, solo pochissimi fotoelettroni per impulso sono sufficienti per fornire un flusso medio elevato.

"Poiché i fotoelettroni carichi negativamente si respingono l'un l'altro, le loro energie cinetiche sono soggette a rapidi cambiamenti. Per caratterizzare la loro dinamica, è quindi importante distribuirli sul maggior numero possibile di impulsi di attosecondi, " come spiega il primo autore congiunto, il dott. Tobias Saule. L'aumento della frequenza del polso significa che le particelle hanno poche opportunità di interagire tra loro perché sono ben distribuite nel tempo e nello spazio, in modo che la risoluzione energetica massima sia ampiamente mantenuta. In questo modo, il team è stato in grado di dimostrare che in termini di cinetica della fotoemissione, elettroni negli stati energetici vicini nella banda di valenza (cioè le orbite più esterne degli atomi nel cristallo), che hanno momenti angolari diversi differiscono anche di alcune decine di attosecondi nel tempo che impiegano per rispondere ai fotoni in arrivo.

In particolare, la disposizione degli atomi all'interno del cristallo stesso ha un'influenza misurabile sul ritardo tra l'arrivo dell'impulso luminoso e l'espulsione dei fotoelettroni. "Un cristallo è composto da una moltitudine di atomi, tutti i cui nuclei sono carichi positivamente. Ogni nucleo è la sorgente di un potenziale elettrico, che attrae gli elettroni carichi negativamente, allo stesso modo in cui un foro rotondo funge da potenziale pozzo per le biglie, "dice il dottor Stephan Heinrich, anche co-autore primo della relazione. "Quando un elettrone viene rimosso da un cristallo, quello che succede è un po' come l'avanzamento di una biglia su un tavolo pieno di avvallamenti.

Queste rientranze rappresentano le posizioni dei singoli atomi nel cristallo, e sono regolarmente organizzati. La traiettoria del marmo è direttamente interessata dalla loro presenza, e differisce da ciò che si osserverebbe su una superficie liscia, " fa notare. "Abbiamo ora dimostrato come un tale potenziale periodico all'interno di un cristallo influenzi il comportamento temporale della fotoemissione - e possiamo teoricamente spiegarlo, "Spiega Stephan Heinrich. I ritardi osservati possono essere attribuiti alla natura complessa del trasporto di elettroni dall'interno alla superficie del cristallo, e all'impatto della diffusione degli elettroni e degli effetti di correlazione che ciò comporta.

"Le intuizioni fornite dal nostro studio aprono la possibilità di indagini sperimentali sulle complesse interazioni che avvengono nei sistemi multielettronici nella materia condensata su una scala temporale ad attosecondi. Questo a sua volta ci consentirà di comprenderle teoricamente, " afferma LMU-Prof. Ulf Kleineberg, che ha guidato il progetto.

A lungo termine, le nuove scoperte potrebbero anche portare a nuovi materiali con proprietà elettroniche che migliorano le interazioni luce-materia, che renderebbe le celle solari più efficienti, e migliorare le velocità di commutazione dei componenti nano-ottici per l'elaborazione dei dati ultraveloce e promuovere lo sviluppo di nanosistemi da utilizzare nelle scienze biomediche.