Effetto fotoelettrico: una nuova era di precisione, oltre Einstein

I ricercatori dello SLAC hanno compiuto passi da gigante nella comprensione dell’effetto fotoelettrico descritto per primo da Einstein.

Nuove intuizioni sull’effetto fotoelettrico

Gli scienziati hanno utilizzato la Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC per scoprire nuove informazioni sull’effetto fotoelettrico, un fenomeno descritto per la prima volta da Einstein oltre un secolo fa. Il loro metodo fornisce un nuovo strumento per studiare le interazioni elettrone-elettrone, che sono fondamentali per molte tecnologie, tra cui semiconduttori e celle solari.

I ricercatori hanno sviluppato una tecnica che utilizza impulsi di raggi X ad attosecondi per misurare i ritardi di emissione degli elettroni, rivelando discrepanze nelle teorie esistenti mostrando ritardi maggiori del previsto. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature.

Quando un atomo o una molecola assorbe un fotone di luce, può emettere un elettrone in un processo noto come effetto fotoelettrico. La descrizione di Einstein dell’effetto fotoelettrico, noto anche come fotoionizzazione, ha gettato le basi teoriche per la meccanica quantistica. Tuttavia, la natura istantanea di questo effetto è stata oggetto di intensi studi e dibattiti. I recenti progressi nella scienza degli attosecondi hanno fornito gli strumenti necessari per risolvere i ritardi temporali ultraveloci coinvolti nella fotoionizzazione.

L’autore principale e scienziato SLAC Taran Driver, ha dichiarato: “Einstein ha vinto il premio Nobel per aver descritto l’effetto fotoelettrico, ma cento anni dopo, abbiamo appena iniziato a comprendere veramente le dinamiche sottostanti. Il nostro lavoro segna un significativo passo avanti misurando questi ritardi nel dominio dei raggi X, un’impresa che non era mai stata raggiunta prima”.

Effetto fotoelettrico: innovazioni nella misurazione dei ritardi di fotoemissione

Il team ha utilizzato un impulso di raggi X ad attosecondi dalla Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC, lungo appena miliardesimi di miliardesimo di secondo, per ionizzare gli elettroni a livello del nucleo. Questo processo ha espulso gli elettroni dalle molecole che stavano studiando. Hanno quindi utilizzato un impulso laser separato, che ha spinto gli elettroni in una direzione leggermente diversa a seconda del momento in cui sono stati emessi, per misurare il cosiddetto “ritardo di fotoemissione”.

Il ritardo della fotoemissione può essere pensato come il tempo tra una molecola che assorbe un fotone ed emette un elettrone. Questi ritardi, che raggiungono fino a 700 attosecondi, sono stati significativamente maggiori di quanto previsto in precedenza, sfidando i modelli teorici esistenti e aprendo nuove strade per comprendere il comportamento degli elettroni. I ricercatori hanno anche scoperto che le interazioni tra elettroni hanno svolto un ruolo importante in questo ritardo.

Il coautore dello studio e scienziato SLAC James Cryan, ha spiegato: “Misurando la differenza angolare nella direzione degli elettroni espulsi, abbiamo potuto determinare il ritardo temporale con elevata precisione. La capacità di misurare e interpretare questi ritardi aiuta gli scienziati ad analizzare meglio i risultati sperimentali, in particolare in campi come la cristallografia proteica e l’imaging medico, dove le interazioni dei raggi X con la materia sono cruciali”.

Effetto fotoelettrico: un balzo in avanti verso le tecnologie del futuro

Lo studio è uno dei primi di una serie di esperimenti pianificati volti a esplorare le profondità della dinamica degli elettroni in diversi sistemi molecolari. Altri gruppi di ricerca hanno già iniziato a utilizzare la tecnica sviluppata per studiare molecole più grandi e complesse, rivelando nuove sfaccettature del comportamento degli elettroni e della struttura molecolare.

Agostino Marinelli, coautore dello studio, ha concluso: “Questo è un campo in via di sviluppo. La flessibilità di LCLS ci consente di sondare un’ampia gamma di energie e sistemi molecolari, rendendolo uno strumento potente per effettuare questo tipo di misurazioni. Questo è solo l’inizio di ciò che possiamo ottenere su queste scale temporali estreme”.

Lo studio apre le porte a un nuovo mondo di possibilità. La tecnica sviluppata dai ricercatori dello SLAC rappresenta un punto di svolta nell’esplorazione della dinamica elettronica a livello molecolare. Immaginiamo di poter seguire in tempo reale il movimento degli elettroni all’interno di una molecola durante una reazione chimica, o di comprendere a fondo i meccanismi alla base della fotosintesi.

Le implicazioni di questa ricerca si estendono ben oltre la fisica fondamentale, con potenziali applicazioni in campi come la progettazione di nuovi materiali, la medicina e l’energia rinnovabile.