En cooperación con el Centro de Nanoóptica de la Universidad Estatal de Georgia en Atlanta, Los científicos del Laboratorio de Física de Attosegundos del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y la Ludwig-Maximilians-Universität han realizado simulaciones de los procesos que ocurren cuando una capa de átomos de carbono es irradiada con una fuerte luz láser.

Los electrones golpeados por fuertes pulsos de láser cambian su ubicación en escalas de tiempo ultracortas, es decir, dentro de un par de attosegundos (1 como =10-18 segundos). En cooperación con el Centro de Nanoóptica de la Universidad Estatal de Georgia en Atlanta (EE. UU.), Los científicos del Laboratorio de Física de Attosegundos (LAP) del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) y la Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) han realizado simulaciones de procesos que tienen lugar cuando los electrones en una capa de átomos de carbono interactúan con fuertes luz laser. El propósito de estas simulaciones es conocer mejor las interacciones luz-materia en el microcosmos. Una mejor comprensión de los procesos físicos subyacentes podría conducir a la electrónica impulsada por ondas de luz que operarían a frecuencias de luz, que es cien mil veces más rápido que las tecnologías de punta. El grafeno, con sus propiedades excepcionales, se considera muy adecuado como sistema de ejemplo para experimentos de prototipos.

Cuanto más cerca observamos el movimiento de los electrones, mejor entendemos su interacción con la luz. Muchos fenómenos que surgen en la materia condensada debido a la interacción luz-materia de campo fuerte aún no se comprenden completamente. Como los procesos subyacentes ocurren dentro de femto o incluso attosegundos, es difícil acceder a este cosmos intraatómico:un femtosegundo es una millonésima de mil millonésima de segundo; un attosegundo es incluso mil veces más corto. Los métodos experimentales que harán frente a este desafío se encuentran en una etapa de desarrollo. Sin embargo, es posible investigar estos procesos con la ayuda de simulaciones numéricas.

El equipo de científicos de LAP y la Universidad Estatal de Georgia ha calculado lo que les sucede a los electrones en el grafeno que interactúan con un pulso de láser intenso. El campo láser excita y desplaza electrones, cambiando así la distribución de la densidad de carga. Durante este proceso, un pulso de electrones extremadamente corto se dispersa fuera de la sonda. El mapa de difracción de estas ondas de materia refleja cómo se ha alterado la distribución de la densidad de electrones dentro de la capa de grafeno debido al pulso láser.

Estas simulaciones han revelado relaciones complejas entre la excitación de los electrones de valencia por la luz y su posterior movimiento ultrarrápido dentro y entre los átomos de carbono en la capa de grafeno. Los electrones de valencia están débilmente unidos y compartidos entre los átomos vecinos. Los científicos investigaron su movimiento identificando volúmenes microscópicos que representan varios enlaces químicos y analizando la carga eléctrica contenida en estos volúmenes. Durante un pulso de láser, hay una redistribución significativa del cargo; al mismo tiempo, el desplazamiento de los electrones causado por el campo electromagnético del pulso láser es muy pequeño, menos de un picómetro (10-12 m). Además de eso, los cálculos mostraron que la corriente eléctrica inducida por la luz tiene una distribución microscópica no homogénea, fluyendo a lo largo de los enlaces químicos entre los átomos de carbono.

Estas simulaciones deberían ayudar a realizar nuevas mediciones de difracción de electrones ultrarrápida. "Posiblemente detectemos nuevos fenómenos, y quizás observar desviaciones de nuestras predicciones ", señala el líder del proyecto Vladislav Yakovlev. "Pero estamos bastante seguros de que algo de física fundamental está esperando ser observado en medidas a escala atómica desafiantes pero factibles".