Incluso más de 100 años después de la explicación de Einstein de la fotoemisión, el proceso de emisión de electrones de un material sólido al ser iluminado con luz todavía presenta sorpresas desafiantes. En el informe ahora publicado en la revista Ciencias Se emplearon pulsos de luz ultracortos para iniciar una carrera entre electrones emitidos desde diferentes estados iniciales en un material sólido. El cronometraje de esta carrera revela un resultado inesperado:los electrones más rápidos llegan en último lugar.

Para la nueva publicación, físicos de la Universidad de Bielefeld (Alemania) colaboraron con colegas del Centro Internacional de Física Donostia y la Universidad del País Vasco en San Sebastián (España).

El movimiento de un electrón emitido se ve fuertemente afectado por las interacciones dentro del átomo desde el cual se emite el electrón. Los electrones fotoemitidos desde una superficie permanecen atrapados por un tiempo, confinado dinámicamente por la barrera centrífuga alrededor de los átomos. El movimiento de estos electrones alrededor de los núcleos, antes de ser finalmente emitido, Es una especie de danza que conduce a una imagen intuitiva (ver figura) de que los electrones que permanecen más tiempo bailando alrededor del átomo pierden la carrera y se emiten en último lugar. A diferencia de, los electrones que van directamente ganan la carrera. Esta observación requirió una revisión de modelos teóricos comunes que describen la fotoemisión de sólidos, es decir, esta interacción intraatómica inicial tuvo que tenerse en cuenta y establece una nueva piedra angular para futuros modelos mejorados del proceso de fotoemisión de sólidos.

La resolución experimental de los pequeños retrasos en el proceso de fotoemisión requirió cronometrar el evento de emisión, es decir, el momento en que el electrón abandona el material, con una resolución sin precedentes de 10 ^-17 segundos. Usain Bolt correría en este intervalo de tiempo una distancia correspondiente a la décima parte del radio de un núcleo atómico e incluso la luz se propaga solo 3 nm (3x10 ⁹ metro). Esta resolución difícilmente concebible permite cronometrar la carrera de electrones en experimentos que se realizaron en la Universidad de Bielefeld utilizando espectroscopía láser avanzada de attosegundos resuelta en el tiempo. La elección del diselenuro de tungsteno como material resultó ser esencial:proporciona cuatro canales de emisión de fotoelectrones con diferentes propiedades de estado inicial y la excelente estabilidad de la superficie permitió la recolección de datos a largo plazo mejorando la significancia estadística.

Para la explicación del resultado de la carrera de electrones resultó imprescindible una estrecha colaboración con un equipo de físicos teóricos del Centro Internacional de Física de Donostia y de la Universidad del País Vasco en San Sebastián. El modelado cuantitativo de los procesos intraatómicos y la propagación de electrones en el cristal semiconductor demostró que el movimiento orbital inicial no debe descuidarse si se considera la dinámica del proceso de fotoemisión de un sólido. Aún así, el modelo teórico logrado representa solo un primer paso en la interpretación de la carrera de electrones medida, ya que el movimiento intraatómico y la propagación en el cristal se tratan por separado. En el futuro, estos procesos serán tratados en un enfoque unificado y la teoría de la fotoemisión así mejorada abrirá nuevas posibilidades para probar experimentalmente y mejorar nuestra comprensión del proceso fundamental de la fotoemisión.

Los avances reportados en la comprensión de la fotoemisión de sólidos se volvieron factibles basándose en técnicas de láser de attosegundos desarrolladas recientemente. El control de la luz con una resolución de attosegundos abre vistas fascinantes sobre la dinámica de los electrones a escala atómica. Mientras que la espectroscopia de femtosegundos sirvió para estudiar y controlar el movimiento atómico, La espectroscopía de attosegundos ahora aborda directamente los fundamentos de la interacción de la luz con la materia. Además de una mejor comprensión fundamental, estas técnicas ofrecen posibilidades para controlar procesos electrónicos impulsados ​​por luz. La espectroscopia aplicada se basa en la aceleración y desaceleración de los electrones emitidos en un intenso campo eléctrico dependiente del tiempo. Basado en una mejor comprensión del proceso de fotoemisión en sí, esto servirá en futuros experimentos para resolver variaciones de campos de luz con resolución subatómica, es decir, en una escala que no era accesible hasta ahora.