In collaborazione con il Center for Nano-Optics della Georgia State University di Atlanta, scienziati del Laboratorio di Fisica degli Attosecondi dell'Istituto Max Planck di ottica quantistica e della Ludwig-Maximilians-Universität hanno simulato i processi che avvengono quando uno strato di atomi di carbonio viene irradiato con una forte luce laser.

Gli elettroni colpiti da forti impulsi laser cambiano la loro posizione su scale temporali ultrabrevi, cioè entro un paio di attosecondi (1 as =10-18 sec). In collaborazione con il Center for Nano-Optics della Georgia State University di Atlanta (USA), scienziati del Laboratory for Attosecond Physics (LAP) del Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) e della Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) hanno simulato i processi che avvengono quando gli elettroni in uno strato di atomi di carbonio interagiscono con forti luce laser. Lo scopo di queste simulazioni è quello di ottenere informazioni sulle interazioni luce-materia nel microcosmo. Una migliore comprensione dei processi fisici sottostanti potrebbe portare a un'elettronica guidata dalle onde luminose che opererebbe a frequenze luminose, che è centomila volte più veloce delle tecnologie all'avanguardia. Il grafene con le sue eccezionali proprietà è considerato molto adatto come sistema di esempio per esperimenti sui prototipi.

Più da vicino osserviamo il moto degli elettroni, meglio comprendiamo la loro interazione con la luce. Molti fenomeni che si verificano nella materia condensata a causa dell'interazione luce-materia ad alto campo non sono ancora completamente compresi. Poiché i processi sottostanti si verificano entro femto o addirittura attosecondi, è difficile accedere a questo cosmo intraatomico:un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo; un attosecondo è anche mille volte più breve. I metodi sperimentali che affronteranno questa sfida sono in fase di sviluppo. Però, è possibile indagare questi processi con l'ausilio di simulazioni numeriche.

Il team di scienziati del LAP e della Georgia State University ha calcolato cosa succede agli elettroni nel grafene che interagiscono con un intenso impulso laser. Il campo laser eccita e sposta gli elettroni, modificando così la distribuzione della densità di carica. Durante questo processo, un impulso di elettroni estremamente breve viene disperso dalla sonda. La mappa di diffrazione di queste onde di materia riflette come la distribuzione della densità elettronica all'interno dello strato di grafene sia stata alterata a causa dell'impulso laser.

Queste simulazioni hanno rivelato complesse relazioni tra l'eccitazione degli elettroni di valenza da parte della luce e il loro successivo movimento ultraveloce all'interno e tra gli atomi di carbonio nello strato di grafene. Gli elettroni di valenza sono debolmente legati e condivisi tra atomi vicini. Gli scienziati hanno studiato il loro movimento identificando volumi microscopici che rappresentano vari legami chimici e analizzando la carica elettrica contenuta in questi volumi. Durante un impulso laser, vi è una significativa ridistribuzione dell'onere; allo stesso tempo, lo spostamento degli elettroni causato dal campo elettromagnetico dell'impulso laser è molto piccolo, meno di un picometro (10-12 m). In aggiunta a ciò, i calcoli hanno mostrato che la corrente elettrica indotta dalla luce ha una distribuzione microscopica disomogenea, scorre lungo i legami chimici tra gli atomi di carbonio.

Queste simulazioni dovrebbero aiutare nuove misurazioni di diffrazione elettronica ultraveloci. "Forse rileveremo nuovi fenomeni, e forse osservare deviazioni dalle nostre previsioni", sottolinea il capo progetto Vladislav Yakovlev. "Ma siamo abbastanza sicuri che un po' di fisica fondamentale stia aspettando di essere osservata in misurazioni su scala atomica impegnative ma fattibili".