Osservare gli elettroni nei solidi
Realizzata con successo la semplificazione di un metodo spettroscopico per l'indagine dei movimenti di elettroni in molecole e solidi
Un metodo spettroscopico per analizzare i movimenti estremamente veloci degli elettroni nei solidi può ora essere utilizzato molto più facilmente di prima grazie a una nuova estensione. I ricercatori dell'Università di Oldenburg presentano il nuovo metodo sulla rivista Optica. Il team spera che la spettroscopia elettronica multidimensionale si trasformi da un metodo per esperti in uno strumento versatile.
I movimenti e le interazioni estremamente veloci degli elettroni nelle molecole e nei solidi sono rimasti a lungo nascosti all'osservazione diretta. Da qualche tempo, questi processi fisico-quantistici - come le reazioni chimiche, la conversione della luce solare in elettricità nelle celle solari, ma anche i processi elementari nei computer quantistici - possono essere studiati in tempo reale con una risoluzione temporale di pochi femtosecondi (quadrilionesimi di secondo) utilizzando il metodo della spettroscopia elettronica multidimensionale (2DES). Tuttavia, il metodo è molto complesso e finora è stato utilizzato solo da pochi gruppi di ricerca in tutto il mondo. Un team italo-tedesco guidato dal Prof. Dr. Christoph Lienau dell'Università di Oldenburg è ora riuscito a semplificare notevolmente l'applicazione del metodo. "Speriamo che il 2DES passi da una metodologia per esperti a uno strumento che può essere utilizzato in molti modi diversi", spiega Lienau.
I due dottorandi Daniel Timmer e Daniel Lünemann del gruppo di lavoro "Ultrafast Nano-Optics" di Lienau hanno svolto un ruolo chiave nella scoperta. Il team descrive la procedura nella rivista scientifica Optica.
Nel processo 2DES, i materiali vengono irradiati con tre impulsi laser ultracorti in rapida successione. I primi due impulsi devono essere copie identiche. Vengono utilizzati per eccitare il processo da studiare nel materiale, ad esempio per portare gli elettroni di un semiconduttore o di un colorante in uno stato energetico più elevato. Ciò modifica le proprietà ottiche del materiale. Il terzo impulso laser, il cosiddetto impulso sonda, interagisce con il sistema eccitato, modifica il processo e fornisce quindi informazioni sullo stato del sistema.
Variando l'intervallo di tempo tra i tre impulsi, è possibile determinare diverse informazioni sul sistema analizzato. Se si varia l'intervallo di tempo tra gli impulsi di eccitazione e l'impulso del campione, il processo in esame può essere registrato in fasi diverse, in modo che la sequenza temporale diventi visibile come in un film. Anche l'intervallo tra gli impulsi di eccitazione può essere variato. Ciò rende visibili i dettagli di processi particolarmente complessi, come il trasferimento di energia durante la fotosintesi. "Il metodo 2DES è molto impegnativo dal punto di vista sperimentale", sottolinea Lienau. Il problema consiste nel controllare con precisione l'intervallo di tempo tra i primi due impulsi laser identici e la loro forma.
Nel nuovo studio, il team di Lienau descrive una possibile soluzione al problema. L'idea dei dottorandi di Oldenburg Daniel Timmer e Daniel Lünemann si basa su un metodo chiamato TWINS, presentato qualche anno fa dal fisico italiano Giulio Cerullo del Politecnico di Milano. Cerullo, che è anche coautore dello studio attuale, aveva sviluppato un cosiddetto interferometro, che utilizza cristalli birifrangenti per creare due impulsi identici con un breve intervallo di tempo da un impulso laser. Questi vengono utilizzati per eccitare il sistema desiderato. Sebbene questo metodo sia molto più facile da realizzare rispetto ad altri metodi utilizzati per generare impulsi, presenta altre limitazioni. "Il metodo non offriva ancora la piena funzionalità di uno spettrometro elettronico multidimensionale", spiega Lienau. Gli esperti avevano ipotizzato che la tecnologia sviluppata da Cerullo fosse fondamentalmente incapace di raggiungere questa funzionalità.
Tuttavia, Timmer e Lünemann hanno aggiunto un componente ottico all'interferometro di Cerullo, una cosiddetta piastra di ritardo, che ritarda di una certa frazione di lunghezza d'onda il segnale luminoso che la attraversa. Questa estensione relativamente semplice ha permesso ai due ricercatori di controllare i due impulsi laser in modo molto più preciso rispetto all'interferometro TWINS originale.
I ricercatori hanno implementato l'idea a livello sperimentale e hanno dimostrato le possibilità migliorate studiando i movimenti di carica all'interno di un colorante organico. Il team ha anche fornito una spiegazione teorica del nuovo metodo. Timmer, Lünemann e Lienau hanno ottenuto un brevetto per il metodo di interferometria esteso.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Altre notizie dal dipartimento scienza
