Utilizzando impulsi laser a raggi X un milione di volte più brevi di un battito di ciglia, gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento di Energia hanno catturato il movimento ultraveloce degli elettroni nei materiali, fornendo nuove informazioni su come avvengono le interazioni subatomiche.

Gli impulsi ad alta energia, prodotti dal laser a elettroni liberi a raggi X di SLAC, il Linac Coherent Light Source (LCLS), hanno permesso ai ricercatori di "vedere" i nuclei atomici in un materiale semiconduttore vibrare e oscillare e osservare gli elettroni correre e circolare. intorno a loro quasi alla velocità della luce.

Le osservazioni potrebbero aiutare gli scienziati a progettare nuovi materiali con proprietà elettroniche personalizzate, come quelli necessari per dispositivi elettronici più potenti, elaborazione dati ad alta velocità e nuovi dispositivi optoelettronici.

Il gruppo di ricerca dello SLAC ha utilizzato una linea di luce speciale presso l'LCLS chiamata strumento X-ray Pump-Probe, progettato per osservare i processi subatomici che si svolgono al rallentatore. La linea di luce ha una speciale “telecamera” a raggi X per catturare con precisione le posizioni e i movimenti degli elettroni e dei nuclei nei materiali.

I ricercatori hanno inviato un breve e intenso impulso di raggi X in un campione di arseniuro di gallio, un materiale semiconduttore, per far uscire alcuni elettroni dalle loro orbite attorno ai nuclei atomici. Nell’istante successivo all’impatto dei raggi X, un secondo impulso di raggi X, più debole, illuminò il campione mentre gli elettroni si riorganizzavano, fornendo istantanee degli atomi e delle loro nuvole di elettroni vorticose.

"Abbiamo scoperto che alcuni elettroni reagivano agli impulsi di raggi X più rapidamente del previsto", ha affermato lo scienziato dello SLAC e coautore dello studio Jun-Sik Lee. "Stavano essenzialmente surfando sull'onda creata dall'impulso dei raggi X, guadagnando energia extra e accelerando a velocità incredibilmente elevate."

"Vedere gli elettroni navigare è stata una sorpresa, ma quando abbiamo analizzato attentamente le nostre immagini ci siamo resi conto che non avrebbe dovuto esserlo", ha affermato Mike Dunne, direttore della Linac Coherent Light Source (LCLS), coautore dello studio. "È stato semplicemente uno di quei casi in cui il comportamento che abbiamo osservato era stato previsto da qualcun altro, in questo caso da teorici circa 70 anni fa."