Quando gli elettroni si muovono all’interno di una molecola o di un semiconduttore, ciò avviene su scale temporali inimmaginabilmente brevi. Un team svedese-tedesco, tra cui il dottor Jan Vogelsang dell’Università di Oldenburg, ha ora compiuto progressi significativi verso una migliore comprensione di questi processi ultraveloci:i ricercatori sono stati in grado di monitorare la dinamica degli elettroni rilasciati dalla superficie dei cristalli di ossido di zinco utilizzando impulsi laser con risoluzione spaziale nell'ordine dei nanometri e con una risoluzione temporale mai raggiunta prima.
Con questi esperimenti, il team ha dimostrato l'applicabilità di un metodo che potrebbe essere utilizzato per comprendere meglio il comportamento degli elettroni nei nanomateriali e nei nuovi tipi di celle solari, tra le altre applicazioni. I ricercatori dell'Università di Lund, tra cui la professoressa Dott.ssa Anne L'Huillier, una dei tre premi Nobel per la fisica dello scorso anno, sono stati coinvolti nello studio pubblicato sulla rivista Advanced Physics Research .
Nei loro esperimenti, il gruppo di ricerca ha combinato un tipo speciale di microscopia elettronica nota come microscopia elettronica a fotoemissione (PEEM) con la tecnologia della fisica degli attosecondi. Gli scienziati utilizzano impulsi luminosi di durata estremamente breve per eccitare gli elettroni e registrare il loro comportamento successivo. "Il processo è molto simile a un flash che cattura un movimento veloce nella fotografia", ha spiegato Vogelsang. Un attosecondo è incredibilmente breve:solo un miliardesimo di miliardesimo di secondo.
Come riferisce il team, esperimenti simili finora non erano riusciti a raggiungere la precisione temporale necessaria per seguire il movimento degli elettroni. Le minuscole particelle elementari sfrecciano molto più velocemente dei nuclei atomici più grandi e pesanti. Nel presente studio, tuttavia, gli scienziati hanno combinato le due tecniche tecnologicamente impegnative, la microscopia elettronica a fotoemissione e la microscopia ad attosecondi, senza compromettere né la risoluzione spaziale né quella temporale.
"Abbiamo finalmente raggiunto il punto in cui possiamo utilizzare gli impulsi ad attosecondi per studiare in dettaglio l'interazione tra luce e materia a livello atomico e nelle nanostrutture", ha affermato Vogelsang.
Un fattore che ha reso possibile questo progresso è stato l’utilizzo di una sorgente luminosa che genera una quantità particolarmente elevata di lampi di attosecondi al secondo:in questo caso, 200.000 impulsi luminosi al secondo. Ogni lampo rilasciava, in media, un elettrone dalla superficie del cristallo, permettendo ai ricercatori di studiarne il comportamento senza che si influenzassero a vicenda. "Più impulsi al secondo si generano, più facile sarà estrarre un piccolo segnale di misurazione da un set di dati", ha spiegato il fisico.
Il laboratorio di Anne L'Huillier presso l'Università di Lund (Svezia), dove sono stati condotti gli esperimenti per il presente studio, è uno dei pochi laboratori di ricerca al mondo con l'attrezzatura tecnologica necessaria per tali esperimenti.
Vogelsang, ricercatore post-dottorato presso l'Università di Lund dal 2017 al 2020, sta attualmente allestendo un laboratorio sperimentale simile presso l'Università di Oldenburg. In futuro, i due team intendono continuare le loro indagini ed esplorare il comportamento degli elettroni in vari materiali e nanostrutture.
Ulteriori informazioni: Jan Vogelsang et al, Microscopia elettronica a fotoemissione risolta nel tempo su una superficie di ZnO utilizzando una coppia di impulsi ad attosecondi ultravioletti estremi, Ricerca fisica avanzata (2023). DOI:10.1002/apxr.202300122
Fornito da Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg
