La creación de fotoelectrones por ionización es uno de los procesos más fundamentales en la interacción entre la luz y la materia. Todavía, Quedan preguntas profundas sobre cómo los fotones transfieren su momento lineal a los electrones. Con el primer estudio de subfemtosegundos de la transferencia de momento lineal de fotones durante un proceso de ionización, Los físicos de ETH brindan información sin precedentes sobre el nacimiento de los fotoelectrones.

La interacción entre la luz y la materia es la base tanto de muchos fenómenos fundamentales como de diversas tecnologías prácticas. Más famoso, en el efecto fotoeléctrico, Los electrones son emitidos por un material que se expone a una luz de energía adecuada. El origen del fenómeno siguió siendo un acertijo durante mucho tiempo, y sólo con el advenimiento de la teoría cuántica —y gracias al genio de Albert Einstein— se comprendió completamente el efecto. Einstein recibió el Premio Nobel de Física de 1921 por su descubrimiento de las leyes subyacentes, y desde entonces el efecto se ha aprovechado en aplicaciones que van desde la espectroscopia hasta los dispositivos de visión nocturna. En algunos casos importantes, el principio clave es la transferencia no de energía sino de momento lineal, o impulso — de fotones a electrones. Este es el caso, por ejemplo, cuando se utiliza luz láser para enfriar objetos microscópicos y macroscópicos, o para comprender el fenómeno de la presión de radiación.

A pesar de la importancia fundamental de la transferencia de impulso, los detalles precisos de cómo la luz transmite su impulso a la materia aún no se comprenden completamente. Una razón es que el impulso transferido cambia durante un ciclo óptico en extremadamente rápido, escalas de tiempo de subfemtosegundos. Hasta aquí, Los estudios revelaron principalmente información sobre el comportamiento promediado en el tiempo, faltan aspectos dependientes del tiempo de la transferencia de momento lineal durante la fotoionización. Este vacío ahora ha sido llenado por el grupo de Ursula Keller en el Instituto de Electrónica Cuántica, como informan en un artículo publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza .

Examinaron el caso de altas intensidades de láser, donde múltiples fotones están involucrados en el proceso de ionización, e investigó cuánto impulso se transfiere en la dirección de la propagación del láser. Para lograr una resolución de tiempo suficiente, emplearon la llamada técnica attoclock, que se ha desarrollado y perfeccionado en el laboratorio de Keller durante la última década. En este método, La resolución de tiempo de attosegundos se logra sin tener que producir pulsos de láser de attosegundos. En lugar de, La información sobre el vector de campo láser giratorio en luz polarizada casi circular se usa para medir el tiempo relativo al evento de ionización con precisión de attosegundos. Muy similar a la manecilla de un reloj, justo ahora esta manecilla de reloj está girando un círculo completo dentro de un ciclo óptico de 11.3 fs de duración.

Con esta versátil herramienta a mano, los físicos de ETH pudieron determinar cuánto ganaron los electrones de momento lineal dependiendo de cuándo "nacieron" los fotoelectrones. Descubrieron que la cantidad de impulso transferido en la dirección de propagación del láser depende de cuándo, durante el ciclo de oscilación del láser, el electrón se 'libera' de la materia. en su caso, átomos de xenón. Esto significa que al menos para el escenario que exploraron, la imagen de presión de radiación promediada en el tiempo no es aplicable. Curiosamente, pueden reproducir el comportamiento observado casi completamente dentro de un modelo clásico, Considerando que muchos escenarios de interacción luz-materia, como la dispersión de Compton, solo se puede explicar dentro de un modelo mecánico cuántico.

Sin embargo, el modelo clásico tuvo que ampliarse, para tener en cuenta la interacción entre el fotoelectrón saliente y el ion xenón residual. Esta interacción, muestran en sus experimentos, induce un retraso de attosegundos adicional en el tiempo de la transferencia de momento lineal en comparación con la predicción teórica para un electrón libre nacido durante el pulso. Si tales retrasos son una propiedad general de la fotoionización o si se aplican solo al tipo de escenarios investigados en el presente estudio, permanece abierto por ahora. Lo que esta claro sin embargo, es que con este primer estudio de la transferencia de momento lineal durante la ionización en la escala de tiempo natural del proceso, el grupo de Keller abrió una nueva ruta emocionante para explorar la naturaleza fundamental de las interacciones luz-materia, cumpliendo así una promesa central de la ciencia de attosegundos.