Los físicos utilizan pulsos láser ultracortos para detectar cambios dinámicos en la radiación óptica
Físicos de la Universidad Ludwig-Maximilians de Múnich (LMU) y del Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica (MPQ) utilizan pulsos láser ultracortos para detectar emisiones de fotoelectrones en la dinámica de cristales de tungsteno. Hace casi un siglo, Albert Einstein ganó el Premio Nobel de Física por su explicación del efecto fotoeléctrico. La teoría de Einstein, publicada en 1905, incluía la idea de que la luz está compuesta de partículas llamadas fotones.
Cuando la luz incide sobre una sustancia, los electrones de la muestra reaccionan a la energía de entrada, y esta interacción crea lo que se conoce como efecto fotoeléctrico. Los cuantos de luz (fotones) son absorbidos por el material y excitan los electrones unidos. Dependiendo de la longitud de onda de la fuente de luz, esto puede provocar la expulsión de electrones. La estructura de bandas electrónicas del material en cuestión tiene una fuerte influencia en la escala temporal de la emisión de luz.
Físicos de la Universidad Ludwig-Maximilians de Múnich (LMU) y del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica (MPQ) han estudiado detenidamente el fenómeno de la emisión de luz. Midieron el efecto de la estructura de la cinta de tungsteno sobre la dinámica de la emisión de fotoelectrones y proporcionaron una explicación teórica para sus observaciones.
Esto ahora es posible gracias al desarrollo y mejora continua de la tecnología Attosegundo. Un "atosegundo" es una milmillonésima de segundo. La capacidad de generar de manera reproducible secuencias de pulsos láser que duran cientos de attosegundos permite a los investigadores rastrear la progresión de la emisión de luz a través de una "actividad de congelación" periódica, similar a un estroboscopio, pero con mejor resolución temporal.
En una serie de experimentos de espectroscopia fotoelectrónica, el equipo utilizó pulsos de attosegundos de luz ultravioleta extrema para sondear la dinámica de emisión de luz de los cristales de tungsteno. Cada pulso contiene cientos de fotones de rayos X, cada uno con suficiente energía para desplazar un fotoelectrón. Con la ayuda de un detector montado delante del cristal, el equipo pudo caracterizar los electrones expulsados en términos de tiempo de vuelo y ángulo de emisión.
Los resultados mostraron que los electrones que interactuaban con los fotones entrantes necesitaban un momento para reaccionar ante el encuentro. El descubrimiento se realizó mediante el uso de un nuevo método para generar pulsos de attosegundos. Gracias a la introducción de un resonador de cavidad pasiva con un factor de mejora de 35, el nuevo dispositivo ahora puede generar pulsos de attosegundos a una velocidad de 18,4 millones de veces por segundo, aproximadamente 1.000 veces mayor que lo que antes era común en sistemas similares. Debido a que la tasa de repetición del pulso es tan alta, sólo unos pocos fotoelectrones por pulso son suficientes para proporcionar un flujo promedio alto.
"A medida que los fotoelectrones cargados negativamente se repelen entre sí, su energía cinética cambia rápidamente. Para caracterizar su dinámica, es importante distribuirlos en tantos pulsos de attosegundos como sea posible", explicó el coprimer autor, el Dr. . Tobías Saulé. El aumento de la frecuencia del pulso significa que las partículas tienen pocas posibilidades de interactuar porque están bien distribuidas en el tiempo y el espacio, por lo que se conserva en gran medida la resolución máxima de energía. De esta manera, el equipo pudo demostrar que, en términos de la dinámica de la emisión de luz, los electrones en estados de energía adyacentes en la banda de valencia (es decir, las órbitas más externas de los átomos en el cristal) con diferentes momentos angulares responden a la energía entrante. fotón. El tiempo de reacción también varía en decenas de atto segundos.
Curiosamente, la disposición de los átomos dentro del propio cristal tiene un efecto mensurable en el retraso entre la llegada de un pulso de luz y la expulsión de un fotoelectrón. "Los cristales están formados por muchos átomos con núcleos cargados positivamente. Cada núcleo es una fuente de fuerza electromotriz, que atrae electrones cargados negativamente, al igual que un agujero redondo actúa como un pozo potencial para las canicas", dijo Stephan el Dr. Heinrich, co- primer autor del informe. "Cuando se extrae un electrón de un cristal, lo que sucede es un poco como el avance de una canica sobre una mesa con hoyuelos".
Los hoyuelos representan las posiciones de los átomos individuales en el cristal, y allí están. es un patrón. Por ejemplo, la trayectoria de los mármoles se ve directamente afectada por su presencia y difiere de la que se observa en superficies lisas. "Ahora se ha demostrado cómo este potencial periódico dentro del cristal influye en el comportamiento temporal de la emisión de luz y podemos explicarlo teóricamente", explica Stephan Heinrich. El retraso observado puede atribuirse a la naturaleza compleja del transporte de electrones desde el interior del cristal a la superficie, así como a las interacciones entre el interior del cristal y la superficie.