Los científicos de EPFL han podido medir el retardo de tiempo ultracorto en la fotoemisión de electrones sin usar un reloj. El descubrimiento tiene importantes implicaciones para la investigación fundamental y la tecnología de vanguardia.

Cuando la luz incide sobre ciertos materiales, hace que emitan electrones. Esto se llama "fotoemisión" y fue explicado por Albert Einstein en 1905, ganándole el premio Nobel. Pero solo en los últimos años, con avances en tecnología láser, ¿Han podido los científicos acercarse a las escalas de tiempo increíblemente cortas de la fotoemisión? Los investigadores de la EPFL ahora han determinado un retraso de una milmillonésima parte de una mil millonésima de segundo en la fotoemisión midiendo el giro de los electrones fotoemitidos sin la necesidad de pulsos láser ultracortos. El descubrimiento se publica en Cartas de revisión física .

Fotoemisión

La fotoemisión ha demostrado ser un fenómeno importante, formando una plataforma para técnicas de espectroscopia de vanguardia que permiten a los científicos estudiar las propiedades de los electrones en un sólido. Una de esas propiedades es el giro, una propiedad cuántica intrínseca de las partículas que las hace parecer como si estuvieran girando alrededor de su eje. El grado en que este eje está alineado hacia una dirección particular se conoce como polarización de espín, que es lo que da algunos materiales, como el hierro, propiedades magnéticas.

Aunque ha habido un gran progreso en el uso de la fotoemisión y la polarización de espín de los electrones fotoemitidos, la escala de tiempo en la que tiene lugar todo este proceso no se ha explorado con gran detalle. La suposición común es que, una vez que la luz llega al material, los electrones se excitan y emiten instantáneamente. Pero estudios más recientes que utilizan tecnología láser avanzada han desafiado esto, mostrando que en realidad hay un retraso de tiempo en la escala de attosegundos.

Tiempo sin reloj

El laboratorio de Hugo Dil en EPFL, con colegas en Alemania, mostró que durante la fotoemisión, la polarización de espín de los electrones emitidos se puede relacionar con los retardos de tiempo de attosegundos de la fotoemisión. Más importante, han demostrado esto sin la necesidad de ninguna resolución o medición de tiempo experimental, esencialmente, sin necesidad de reloj. Para hacer esto, Los científicos utilizaron un tipo de espectroscopia de fotoemisión (SARPES) para medir el giro de los electrones fotoemitidos por un cristal de cobre.

"Con los láseres puede medir directamente el tiempo de demora entre diferentes procesos, pero es difícil determinar cuándo comienza un proceso:tiempo cero, "dice Mauro Fanciulli, estudiante de doctorado del grupo de Dil y primer autor del artículo. "Pero en nuestro experimento medimos el tiempo indirectamente, para que no tengamos ese problema, podríamos acceder a una de las escalas de tiempo más cortas jamás medidas. Las dos técnicas [giro y láser], son complementarios, y juntos pueden producir una nueva esfera de información ".

La información sobre la escala de tiempo de la fotoemisión se incluye en la función de onda de los electrones emitidos. Esta es una descripción cuántica de la probabilidad de dónde se puede encontrar un electrón dado en un momento dado. Al usar SAPRES, los científicos pudieron medir el giro de los electrones, lo que a su vez les permitió acceder a sus propiedades de función de onda.

"El trabajo es una prueba de principio que puede desencadenar más investigación fundamental y aplicada, ", dice Hugo Dil." Se ocupa de la naturaleza fundamental del tiempo en sí mismo y ayudará a comprender los detalles del proceso de fotoemisión, pero también se puede utilizar en espectroscopía de fotoemisión en materiales de interés. "Algunos de estos materiales incluyen grafeno y superconductores de alta temperatura, que Dil y sus colegas estudiarán a continuación.