L’effetto fotoelettrico, per cui i fotoni che incidono sulla materia causano l’emissione di elettroni, è uno degli effetti per eccellenza della meccanica quantistica. Einstein spiegò notoriamente il meccanismo chiave alla base del fenomeno nel 1905, guadagnandosi il premio Nobel per la fisica nel 1921. Ha costruito su un concetto introdotto solo cinque anni prima da Max Planck: l’energia elettromagnetica viene assorbita ed emessa solo in pacchetti discreti in cioè in quanti. Il concetto quantistico ha rivoluzionato la fisica. L’effetto fotoelettrico, da parte sua, è stato esplorato in modo sempre più dettagliato, ed è oggi sfruttato in applicazioni che vanno dalle celle solari agli occhiali per la visione notturna. Un cambiamento nella nostra comprensione dell’effetto è venuto nell’ultimo decennio o giù di lì. Gli esperimenti laser hanno permesso di guardare direttamente le complesse dinamiche quantistiche che si svolgono nella scala temporale dell’attosecondo mentre gli elettroni vengono rimossi dal loro sistema genitore quando interagiscono con la luce. Tuttavia, le misurazioni risolte nel tempo del processo di fotoionizzazione nella sua forma probabilmente più pura-l’assorbimento e l’emissione di singoli fotoni da parte di un singolo elettrone non legato-sono rimaste elusive. Fino ad ora.
Scrivendo sulla rivista Optica, Jaco Fuchs e colleghi del gruppo di Fisica laser Ultraveloce del Prof. Ursula Keller presso l’Istituto di Elettronica Quantistica, lavorando con collaboratori negli Stati Uniti, Austria e Spagna, riportano un esperimento in cui hanno misurato per la prima volta come l’assorbimento e l’emissione di singoli fotoni altera la dinamica di un elettrone che non è legato a un nucleo atomico, ma sente ancora il suo potenziale di Coulomb. Introducendo un nuovo protocollo sperimentale, hanno scoperto che la dinamica dipende dal momento angolare dell’elettrone fotoionizzato: hanno misurato un ritardo fino a 12 attosecondi tra gli elettroni s e d in uscita nell’elio. Questa è una firma sottile ma inconfondibile degli effetti quantomeccanici sottostanti. E hanno osservato anche fenomeni fondamentali di origine classica: hanno misurato i cambiamenti di fase che riflettono che negli elettroni d la propagazione verso l’esterno è più lenta che negli elettroni S. Ciò può essere spiegato dalla frazione più grande di energia rotazionale e quindi da un’energia radiale più bassa in d-elettroni.
Estrarre il contributo di singoli fotoni
Questi risultati segnano diversi “primati”. Il gruppo Keller ha aperto la strada a varie aree di attoscienza, compresa la misurazione dei ritardi di tempo di attosecondi nella fotoionsazione, che sorgono quando gli elettroni fotoeccitati si propagano nel potenziale dello ion genitore, risultando in un ritardo di gruppo misurabile. La misurazione di questi ritardi di tempo su scala attoseconda in genere coinvolge almeno due fotoni, rendendo eccezionalmente difficile estrarre il contributo di singoli fotoni. Fuchs et al. ora ho trovato un modo per fare proprio questo.
Nel loro caso sono coinvolti anche due fotoni, uno nell’ultravioletto estremo (XUV) e l’altro nell’intervallo infrarosso (IR). Ma hanno escogitato una procedura adatta che ha permesso loro di estrarre dai loro dati di alta qualità le ampiezze e le fasi relative di tutti i percorsi quantistici attraverso i quali la fotoionsazione procede nel loro sistema. In questo modo sono stati in grado di isolare i diversi contributi dei fotoni IR, che sono quelli che inducono transizioni in un elettrone non legato (mentre i fotoni XUV ionizzano l’atomo, trasferendo un elettrone da uno stato legato al continuo).
Misurazione diretta dei ritardi derivanti da Bremsstrahlung
Non solo i fisici ETH hanno ottenuto per la prima volta l’accesso ai ritardi temporali da qualsiasi transizione a un fotone. Le loro sono anche le prime misurazioni di tali ritardi temporali per l’assorbimento e l’emissione di fotoni da parte di elettroni non legati, un fenomeno noto come (inverso) Bremsstrahlung. I risultati sperimentali sono ben riprodotti da due metodi teorici indipendenti impiegati da Fuchs e colleghi. Queste simulazioni forniscono anche la prova che alcuni degli effetti osservati sono universali, nel senso che sono indipendenti dalla specie atomica dello ion genitore.
Questo lavoro illustra che anche 115 anni dopo il lavoro seminale di Einstein, l’effetto fotoelettrico non cessa di ispirare. Gli strumenti introdotti da Fuchs e collaboratori forniscono nuove capacità sperimentali per lo studio delle dinamiche di fotoionizzazione, sia negli atomi che nelle piccole molecole. Tali studi potrebbero a loro volta fornire una comprensione più completa dei ritardi di fotoemissione, in particolare in presenza di interazioni nell’intervallo da intermedio a lungo termine.
