La ricerca scientifica ha compiuto un passo da gigante grazie al lavoro congiunto di un team svedese-tedesco, che ha tracciato la dinamica degli elettroni con una precisione senza precedenti. Questo studio apre nuove prospettive nella ricerca sui nanomateriali e sulle celle solari, settori in cui la comprensione del comportamento degli elettroni è fondamentale.
La sfida della misurazione degli elettroni
Gli elettroni, quando si muovono all’interno di una molecola o di un semiconduttore, lo fanno su scale temporali difficilmente immaginabili. Il team di ricerca, che include il fisico Dr. Jan Vogelsang dell’Università di Oldenburg, ha fatto importanti progressi verso una migliore comprensione di questi processi ultra-rapidi: i ricercatori sono stati in grado di tracciare la dinamica degli elettroni rilasciati dalla superficie di cristalli di ossido di zinco, utilizzando impulsi laser con risoluzione spaziale nell’ordine del nanometro e con una risoluzione temporale mai raggiunta prima.
Un metodo innovativo per studiare i nanomateriali
Con questi esperimenti, il team ha dimostrato l’applicabilità di un metodo che potrebbe essere utilizzato per comprendere meglio il comportamento degli elettroni nei nanomateriali e nei nuovi tipi di celle solari, tra le altre applicazioni. Nel team di ricerca figurano anche scienziati dell’Università di Lund, tra cui la Professoressa Dr. Anne L’Huillier, una dei tre premi Nobel per la fisica dello scorso anno. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista scientifica Advanced Physics Research.
La combinazione di tecniche avanzate per una maggiore precisione
La microscopia elettronica di fotoemissione
Nel loro esperimento, il team di ricerca ha combinato un tipo speciale di microscopia elettronica, nota come microscopia elettronica di fotoemissione (PEEM), con la tecnologia della fisica degli attosecondi. Gli scienziati utilizzano impulsi luminosi di durata estremamente breve per eccitare gli elettroni e registrare il loro comportamento successivo. “Il processo è simile a un flash che cattura un movimento rapido in fotografia”, ha spiegato Vogelsang. Un attosecondo è incredibilmente breve – solo un miliardesimo di miliardesimo di secondo.
La precisione temporale nell’osservazione degli elettroni
Come riportato dal team, esperimenti simili finora non erano riusciti a raggiungere la precisione temporale necessaria per tracciare il movimento degli elettroni. Queste minuscole particelle elementari si muovono molto più velocemente dei nuclei atomici, più grandi e pesanti. Nello studio attuale, tuttavia, gli scienziati sono stati in grado di combinare le due tecniche tecnologicamente esigenti, la microscopia elettronica di fotoemissione e la microscopia degli attosecondi, senza compromettere né la risoluzione spaziale né quella temporale. “Abbiamo finalmente raggiunto il punto in cui possiamo utilizzare impulsi di attosecondi per indagare in dettaglio l’interazione tra luce e materia a livello atomico e nelle nanostrutture”, ha affermato Vogelsang.
Progressi tecnologici e ricerche future
La sorgente luminosa e la generazione di impulsi
Un fattore che ha reso possibile questo progresso è stato l’uso di una sorgente luminosa che genera una quantità particolarmente elevata di flash di attosecondi al secondo – in questo caso, 200.000 impulsi luminosi al secondo. Ogni flash ha rilasciato in media un elettrone dalla superficie del cristallo, permettendo ai ricercatori di studiare il loro comportamento senza che questi si influenzassero a vicenda. “Più impulsi al secondo si generano, più è facile estrarre un piccolo segnale di misurazione da un insieme di dati”, ha spiegato il fisico.
Collaborazioni internazionali e progetti futuri
Il laboratorio di Anne L’Huillier all’Università di Lund (Svezia), dove sono stati condotti gli esperimenti per il presente studio, è uno dei pochi laboratori di ricerca al mondo dotati delle attrezzature tecnologiche necessarie per tali esperimenti. Vogelsang, che è stato ricercatore post-dottorato all’Università di Lund dal 2017 al 2020, è attualmente impegnato nell’allestimento di un laboratorio sperimentale simile all’Università di Oldenburg. In futuro, i due team prevedono di continuare le loro indagini ed esplorare il comportamento degli elettroni in vari materiali e nanostrutture.
Vogelsang è a capo del gruppo di ricerca sulla Microscopia degli Attosecondi all’Università di Oldenburg dal 2022. Il gruppo è finanziato dal prestigioso programma Emmy Noether della Fondazione Tedesca per la Ricerca.
