Fisici della Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) di Monaco di Baviera e dell'Istituto Max Planck per l'ottica quantistica hanno osservato un fenomeno di materia leggera su scala nanometrica che dura solo attosecondi.

Quando la luce colpisce un metallo, il suo campo elettromagnetico eccita le vibrazioni degli elettroni nel metallo. Questa interazione porta alla formazione dei cosiddetti campi vicini - campi elettromagnetici che sono localizzati vicino alla superficie del metallo. Il modo preciso in cui tali campi vicini si comportano sotto l'influenza della luce è stato ora studiato da un team internazionale di fisici presso la LMU di Monaco e il Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ), in stretta collaborazione con i ricercatori della Cattedra di Fisica Laser presso la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

I ricercatori hanno concentrato intensi impulsi laser a infrarossi su un nanoago d'oro. Questi impulsi sono così brevi che consistono solo in poche oscillazioni del campo luminoso. Quando la luce colpisce il nanofilo, eccita le vibrazioni collettive degli elettroni associati agli atomi d'oro vicino alla superficie del filo. Questi movimenti di elettroni sono responsabili della generazione di campi vicini sulla superficie del filo.

Per studiare i tempi della risposta del campo vicino al campo luminoso, i fisici hanno diretto un secondo impulso di luce con una durata estremamente breve di appena un paio di centinaia di attosecondi (1 come dura un miliardesimo di miliardesimo di secondo) sulla nanostruttura poco dopo il primo impulso di luce. Questo secondo lampo in realtà stacca alcuni elettroni dal nanofilo. Quando raggiungono la superficie, sono accelerati dai campi vicini e possono essere rilevati, permettendo di caratterizzare la dinamica dei campi vicini. L'analisi di questi elettroni ha mostrato che i campi vicini oscillavano con uno spostamento temporale di circa 250 attosecondi rispetto alla luce incidente, e che stavano conducendo nelle loro vibrazioni. In altre parole, le vibrazioni del campo vicino hanno raggiunto la loro ampiezza massima 250 attosecondi prima delle vibrazioni del campo luminoso.

"I campi e le onde di superficie generate nelle nanostrutture sono di importanza centrale per lo sviluppo dell'optoelettronica. Con la tecnica di imaging che abbiamo dimostrato qui, ora possono essere nettamente risolti, " spiega il professor Matthias Kling, il leader del gruppo Ultrafast Nanophotonics nel Dipartimento di Fisica della LMU.

Gli esperimenti aprono la strada a studi più complessi sulle interazioni luce-materia nei metalli che sono di interesse per la nano-ottica e l'elettronica guidata dalla luce del futuro. Tale elettronica funzionerebbe alle frequenze della luce. I campi ottici oscillano a velocità di un milione di miliardi di volte al secondo, cioè con frequenze petahertz - circa 100, 000 volte più veloce delle frequenze di clock ottenibili nei dispositivi elettronici convenzionali.