Hace casi un siglo, Albert Einstein recibió el Premio Nobel de Física por su explicación del efecto fotoeléctrico. Publicado en 1905, La teoría de Einstein incorporó la idea de que la luz está formada por partículas llamadas fotones. Cuando la luz incide en la materia, los electrones de la muestra responden a la entrada de energía, y la interacción da lugar a lo que se conoce como efecto fotoeléctrico. Los cuantos de luz (fotones) son absorbidos por el material y excitan los electrones ligados. Dependiendo de la longitud de onda de la fuente de luz, esto puede resultar en la expulsión de electrones. La estructura de la banda electrónica del material involucrado tiene un efecto significativo en las escalas de tiempo de la fotoemisión. Los físicos de la Universidad Ludwig-Maximilian (LMU) en Munich y el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) han examinado más de cerca el fenómeno de la fotoemisión. Midieron la influencia de la estructura de bandas del tungsteno en la dinámica de la emisión de fotoelectrones, y proporcionar interpretaciones teóricas de sus observaciones.

Esto ahora es posible gracias al desarrollo y al perfeccionamiento continuo de la tecnología de attosegundos. Un "attosegundo" corresponde a 10 ^-18 de un segundo, es decir, una mil millonésima de mil millonésima de segundo. La capacidad de generar de forma reproducible trenes de pulsos de luz láser que duran unos cientos de attosegundos permite a los investigadores seguir el curso de la fotoemisión "congelando la acción" a intervalos regulares, de forma análoga a un estroboscopio. pero con una resolución temporal mucho mejor.

En una serie de experimentos de espectroscopia de fotoelectrones, El equipo utilizó pulsos de attosegundos de luz ultravioleta extrema para probar la dinámica de la fotoemisión de un cristal de tungsteno. Cada pulso contenía unos cientos de fotones de rayos X, cada uno lo suficientemente enérgico como para desalojar un fotoelectrón. Con la ayuda de detectores montados frente al cristal, el equipo pudo caracterizar los electrones expulsados ​​en términos de sus tiempos de vuelo y ángulos de emisión.

Los resultados revelaron que los electrones que interactúan con los fotones entrantes tardan un poco en reaccionar ante tales encuentros. Este hallazgo fue posible gracias a la adopción de un nuevo enfoque para la generación de pulsos de attosegundos. Gracias a la introducción de un resonador de cavidad pasiva con un factor de mejora de 35, la nueva configuración ahora puede producir pulsos de attosegundos a una velocidad de 18,4 millones por segundo, aproximadamente 1000 veces más alto que el que antes era común en sistemas comparables. Debido a que la frecuencia de repetición del pulso es tan alta, sólo unos pocos fotoelectrones por pulso son suficientes para proporcionar un flujo medio alto.

"Dado que los fotoelectrones cargados negativamente se repelen entre sí, sus energías cinéticas están sujetas a cambios rápidos. Para caracterizar su dinámica, por lo tanto, es importante distribuirlos en tantos pulsos de attosegundos como sea posible, "como explica el primer autor conjunto, el Dr. Tobias Saule. El aumento de la frecuencia del pulso significa que las partículas tienen pocas oportunidades de interactuar entre sí porque están bien distribuidas en el tiempo y el espacio, de modo que se conserva en gran medida la resolución máxima de energía. De este modo, el equipo pudo demostrar que, en términos de la cinética de la fotoemisión, electrones en estados de energía vecinos en la banda de valencia (es decir, las órbitas más externas de los átomos en el cristal), que tienen diferentes momentos angulares también difieren en unas pocas decenas de attosegundos en el tiempo que tardan en responder a los fotones entrantes.

Notablemente, la disposición de los átomos dentro del cristal tiene una influencia medible sobre el retraso entre la llegada del pulso de luz y la expulsión de fotoelectrones. "Un cristal está formado por multitud de átomos, todos cuyos núcleos están cargados positivamente. Cada núcleo es la fuente de un potencial eléctrico, que atrae los electrones cargados negativamente, de la misma manera que un agujero redondo actúa como un pozo potencial para las canicas, "dice el Dr. Stephan Heinrich, también primer autor conjunto del informe. "Cuando un electrón se desprende de un cristal, lo que sucede es un poco como el avance de una canica sobre una mesa llena de depresiones.

Estas muescas representan las posiciones de los átomos individuales en el cristal, y se organizan regularmente. La trayectoria del mármol se ve afectada directamente por su presencia, y difiere de lo que se observaría en una superficie lisa, ", señala." Ahora hemos demostrado cómo ese potencial periódico dentro de un cristal afecta el comportamiento temporal de la fotoemisión, y teóricamente podemos explicarlo, "Stephan Heinrich explica. Los retrasos observados se pueden atribuir a la naturaleza compleja del transporte de electrones desde el interior a la superficie del cristal, y al impacto de los efectos de correlación y dispersión de electrones que esto conlleva.

"Los conocimientos proporcionados por nuestro estudio abren la posibilidad de investigaciones experimentales de las complejas interacciones que tienen lugar en sistemas de múltiples electrones en materia condensada en una escala de tiempo de attosegundos. Esto, a su vez, nos permitirá comprenderlas teóricamente, "dice LMU-Prof. Ulf Kleineberg, quien lideró el proyecto.

A largo plazo, Los nuevos hallazgos también podrían conducir a materiales novedosos con propiedades electrónicas que mejoran las interacciones entre la luz y la materia. lo que haría que las células solares fueran más eficientes, y mejorar las velocidades de conmutación de los componentes nanoópticos para el procesamiento de datos ultrarrápido y promover el desarrollo de nanosistemas para su uso en las ciencias biomédicas.