Con el sistema ultrarrápido del Centro de Física de la Universidad de Kiel (Alemania), el comportamiento de los electrones se puede filmar en vivo. Crédito:Jürgen Haacks, CAU
Durante la conversión de luz en electricidad, como en las células solares, una gran parte de la energía luminosa de entrada se pierde. Esto se debe al comportamiento de los electrones dentro de los materiales. Si la luz golpea un material, estimula los electrones energéticamente durante una fracción de segundo, antes de que devuelvan la energía al medio ambiente. Debido a su duración extremadamente corta de unos pocos femtosegundos (un femtosegundo es una cuadrillonésima parte de un segundo), estos procesos apenas se han explorado hasta la fecha. Un equipo del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Kiel (CAU), bajo la dirección del profesor Michael Bauer y el profesor Kai Roßnagel, ahora ha logrado investigar el intercambio de energía de los electrones con su entorno en tiempo real, y de ese modo distinguir las fases individuales. En su experimento, irradiaron grafito con un intenso, Pulso de luz ultracorto y filmó el impacto en el comportamiento de los electrones. Una comprensión integral de los procesos fundamentales involucrados podría ser importante en el futuro para aplicaciones en componentes optoelectrónicos ultrarrápidos. El equipo de investigación ha publicado estos hallazgos en la edición actual de la revista. Cartas de revisión física .
Las propiedades de un material dependen del comportamiento de sus átomos y electrones constituyentes. Un modelo básico para describir el comportamiento de los electrones es el concepto del llamado gas de Fermi, nombrado en honor al ganador del Premio Nobel Enrico Fermi. En este modelo, los electrones del material se consideran un sistema gaseoso. De este modo, es posible describir sus interacciones entre sí. Para seguir el comportamiento de los electrones sobre la base de esta descripción en tiempo real, El equipo de investigación de Kiel desarrolló un experimento para investigaciones con resolución temporal extrema:si una muestra de material se irradia con un pulso de luz ultrarrápido, los electrones se estimulan durante un breve período. Un segundo, El pulso de luz retardado libera algunos de estos electrones del sólido. Un análisis detallado de estos permite sacar conclusiones sobre las propiedades electrónicas del material tras la primera estimulación con luz. Una cámara especial filma cómo la energía luminosa introducida se distribuye a través del sistema de electrones.
Desarrollado en Kiel:uno de los sistemas más rápidos del mundo
Con sus rayos de luz ultrarrápidos, el sistema Kiel es uno de los más rápidos y potentes del mundo. Crédito:Jürgen Haacks, CAU
La característica especial del sistema Kiel es su resolución temporal extremadamente alta de 13 femtosegundos. Esto la convierte en una de las cámaras de electrones más rápidas del mundo. "Gracias a la duración extremadamente corta de los pulsos de luz utilizados, podemos filmar procesos ultrarrápidos en vivo. Nuestras investigaciones han demostrado que hay una sorprendente cantidad de cosas sucediendo aquí, "explicó Michael Bauer, profesor de dinámica ultrarrápida en la CAU. Desarrolló el sistema, junto con el grupo de trabajo de Kai Roßnagel, profesor de investigación en estado sólido con radiación de sincrotrón.
En su experimento actual, el equipo de investigación irradió una muestra de grafito con un pulso de luz intensa de sólo siete femtosegundos de duración. El grafito se caracteriza por una estructura electrónica simple. Por lo tanto, Los procesos fundamentales se pueden observar con especial claridad. En el experimento, las partículas de luz impactantes, también llamadas fotones, perturbaron el equilibrio térmico de los electrones. Este equilibrio describe una condición en la que prevalece una temperatura definible con precisión entre los electrones. El equipo de investigación de Kiel luego filmó el comportamiento de los electrones, hasta que se restableció el equilibrio después de aproximadamente 50 femtosegundos.
Las grabaciones de películas muestran por primera vez cómo cambia la distribución de energía en una muestra de grafito en el período ultracorto de 50 femtosegundos. Crédito:Phys. Rev. Lett
Numerosas interacciones en un período extremadamente corto
Al hacerlo, los científicos observaron numerosos procesos de interacción de electrones excitados con los fotones impactantes, así como átomos y otros electrones en el material. Sobre la base del metraje de la película, incluso podrían distinguir diferentes fases dentro de este período ultracorto:en primer lugar, los electrones irradiados absorbieron la energía luminosa de los fotones en el grafito, y así la transformó en energía eléctrica. Luego, la energía se distribuyó a otros electrones, antes de que lo pasaran a los átomos circundantes. En este último proceso, la energía eléctrica se convierte en última instancia de forma permanente en calor; el grafito se calienta.
Los experimentos del equipo de investigación de Kiel también confirman las predicciones teóricas por primera vez. Permiten una nueva perspectiva sobre un tema de investigación que apenas ha sido investigado en esta breve escala de tiempo. "A través de nuestras nuevas posibilidades técnicas, estos fundamentales, los procesos complejos se pueden observar directamente por primera vez, ", dijo Bauer. Este enfoque también podría aplicarse en el futuro para investigar y optimizar los movimientos ultrarrápidos de los electrones agitados por la luz en materiales con propiedades ópticas prometedoras.
