Analisi del movimento degli elettroni su scala nanometrica utilizzando impulsi luminosi avanzati

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Analisi del movimento degli elettroni su scala nanometrica utilizzando impulsi luminosi avanzati

di Robert Schreiber

Oldenburg, Germania (SPX) 10 gennaio 2024

Ricercatori svedesi e tedeschi, tra cui il dottor Jan Vogelsang dell'Università di Oldenburg, hanno fatto passi da gigante nello studio della dinamica degli elettroni ultraveloci. Il loro lavoro, che ha tracciato il movimento degli elettroni sulla superficie dei cristalli di ossido di zinco con una risoluzione spaziale e temporale senza precedenti, segna un notevole progresso nel campo.

Questa indagine, parte del settore in rapida evoluzione della dinamica degli elettroni ultraveloci, ha utilizzato impulsi laser per osservare il movimento degli elettroni all'interno dei nanomateriali. Gli esperimenti del team, descritti dettagliatamente nella rivista scientifica Advanced Physics Research, dimostrano il potenziale del loro approccio nella comprensione del comportamento degli elettroni in applicazioni che vanno dai nanomateriali alle nuove tecnologie delle celle solari.

Fondamentale per il loro successo è stata la combinazione innovativa della microscopia elettronica a fotoemissione (PEEM) e della tecnologia fisica degli attosecondi. La PEEM, una tecnica utilizzata per esaminare le superfici dei materiali, è stata abbinata a impulsi luminosi di durata estremamente breve, simili all’utilizzo di un flash ad alta velocità in fotografia, per eccitare e successivamente tracciare gli elettroni. "Il processo è molto simile a un flash che cattura un movimento veloce nella fotografia", ha spiegato il dott. Vogelsang.

Una delle sfide principali in questo campo è stata raggiungere la precisione temporale necessaria per osservare questi movimenti incredibilmente rapidi degli elettroni. Gli elettroni, significativamente più piccoli e più veloci dei nuclei atomici, richiedono tecniche di misurazione eccezionalmente veloci. L'integrazione della PEEM con la microscopia ad attosecondi, senza sacrificare la risoluzione spaziale o temporale, è stato un risultato fondamentale. Il Dr. Vogelsang ha espresso la svolta del team: “Abbiamo finalmente raggiunto il punto in cui possiamo utilizzare gli impulsi ad attosecondi per studiare in dettaglio l’interazione tra luce e materia a livello atomico e nelle nanostrutture”.

L’approccio sperimentale del team ha tratto grandi benefici da una sorgente luminosa ad alta potenza in grado di generare 200,000 lampi di attosecondi al secondo. Questa frequenza ha consentito il rilascio di singoli elettroni dalla superficie del cristallo, consentendo uno studio indisturbato del loro comportamento. “Più impulsi al secondo si generano, più facile sarà estrarre un piccolo segnale di misurazione da un set di dati”, ha osservato il dott. Vogelsang, sottolineando l’importanza di questa capacità tecnologica.

La ricerca è stata condotta presso il laboratorio dell’Università di Lund in Svezia, guidato dalla professoressa Dott.ssa Anne L’Huillier, una rinomata fisica e uno dei tre premi Nobel per la fisica dell’anno precedente. Il laboratorio dell’Università di Lund è tra i pochi al mondo attrezzato per esperimenti così avanzati.

Il dottor Vogelsang, che in precedenza ha lavorato come ricercatore post-dottorato presso l'Università di Lund, sta attualmente creando un laboratorio simile presso l'Università di Oldenburg. La collaborazione tra queste due istituzioni è destinata a continuare, con l'intenzione di esplorare il comportamento degli elettroni in vari materiali e nanostrutture.

Dal 2022, il dottor Vogelsang guida il gruppo di ricerca sulla microscopia ad attosecondi presso l’Università di Oldenburg, sostenuto dal programma Emmy Noether della Fondazione tedesca per la ricerca. Questa iniziativa riflette l’impegno della Germania nel promuovere la ricerca scientifica all’avanguardia.

Rapporto di ricerca:Microscopia elettronica a fotoemissione risolta nel tempo su una superficie di ZnO utilizzando una coppia di impulsi ad attosecondi nell'ultravioletto estremo

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