Correlazione quantistica rivelata da un ritardo nell'ordine degli attosecondi

I plasmoni sono eccitazioni elettroniche collettive che portano a effetti unici nella materia. Permettono di focalizzare la luce in modo estremo, consentendo applicazioni rivoluzionarie come la raccolta efficiente di energia solare, il rilevamento ultrafine e il miglioramento della fotocatalisi. La miniaturizzazione delle strutture plasmoniche su scala nanometrica ha portato alla nascita dell'entusiasmante campo della nanoplasmonica, in cui l'energia ottica può essere confinata e manipolata su una scala senza precedenti. "Questa ricerca all'avanguardia apre nuove strade per lo sviluppo di piattaforme ultracompatte e ad alte prestazioni in cui le interazioni tra luce e materia possono essere controllate utilizzando effetti quantistici su scala nanometrica", afferma Francesca Calegari, responsabile del gruppo di ricerca sugli attosecondi, professore all'Università di Amburgo, scienziato senior presso il DESY e portavoce del Cluster of Excellence "CUI: Advanced Imaging of Matter".

Mentre le proprietà delle risonanze plasmoniche in sistemi di dimensioni superiori a 10 nanometri sono ben comprese, la comprensione della plasmonica nell'intervallo di pochi nanometri o sub-nanometri è ancora limitata. I fullereni sono esempi unici di tali sistemi: Queste molecole simili a gabbie di atomi di carbonio presentano enormi risonanze plasmoniche a energie ultraviolette estreme (XUV) che possono innescare la fotoemissione. Le risonanze hanno un'ampiezza di linea molto elevata, che indica una durata potenziale nell'ordine degli attosecondi. Un attosecondo è un miliardesimo di miliardesimo di secondo.

Le dinamiche ultraveloci di questi sistemi forniscono una piattaforma eccezionale per studiare i meccanismi fisici fondamentali che controllano il movimento elettronico collettivo nelle particelle plasmoniche sub-nanometriche. "La comprensione di questi meccanismi è fondamentale per il progresso nel campo della nanoplasmonica", afferma Andrea Trabattoni, ricercatore del DESY e professore associato alla Leibniz Universität Hannover (LUH).

Nel loro studio, gli scienziati hanno utilizzato il metodo della spettroscopia ad attosecondi per indagare sperimentalmente e teoricamente la dinamica plasmonica del fullerene più frequente, il C₆₀. Le molecole sono state fotoionizzate con un impulso ultracorto di 300 attosecondi. Utilizzando la spettroscopia di fotoemissione ad attosecondi, i ricercatori hanno misurato con precisione il ritardo con cui l'elettrone lascia la molecola durante l'eccitazione plasmonica. Hanno scoperto che l'elettrone che si muove all'interno del potenziale plasmonico accumula un ritardo di fotoemissione di almeno 50 attosecondi fino a circa 300 attosecondi, a seconda della sua energia cinetica.

Utilizzando modelli di meccanica quantistica, il gruppo attribuisce questo ritardo alle correlazioni elettroniche quantistiche. Questi risultati sottolineano la necessità di andare oltre l'immagine classica del moto collettivo degli elettroni per comprendere appieno la dinamica di questi ambienti confinati e ultraveloci.

"Misurando il ritardo causato dalle correlazioni quantistiche, otteniamo nuove conoscenze sull'interazione tra coerenza elettronica e confinamento su scale sub-nanometriche", ha dichiarato Matthias Kling, professore di scienza dei fotoni all'Università di Stanford e capo della Divisione Scienza e Ricerca del LCLS, SLAC National Accelerator Laboratory. "Questo lavoro dimostra il grande potenziale delle tecniche ad attosecondi per sondare la natura quantistica della materia e apre le porte a nuovi approcci nel controllo delle dinamiche ultraveloci per le tecnologie future".