Alla radice dei processi elettronici ultraveloci nella materia

La conversione dell'energia in femtosecondi

La conversione dell’energia elettromagnetica in altre forme di energia (chimica, elettrica ecc.) è un processo cruciale dal punto di vista sia scientifico sia tecnologico, trovandosi alla base di fenomeni di estrema importanza per la vita stessa, come la fotosintesi, ma anche del funzionamento delle celle solari fotovoltaiche o della retina dell’occhio.

Gli attori protagonisti di questi processi sono gli elettroni dei materiali, particelle che assorbono l’energia luminosa e la ridistribuiscono all’interno dei rispettivi sistemi.

Studiare i meccanismi fondamentali attraverso cui avviene tale conversione interna dell’energia da parte degli elettroni è di vitale importanza per comprendere e sfruttare al meglio tutti i fenomeni naturali che ne sono interessati. Purtroppo tali processi, anche quelli che hanno luogo sotto i nostri occhi (e al loro interno) ogni giorno, avvengono su scale di tempo ultrabrevi, di pochi femtosecondi, dove 1 femtosecondo (fs) equivale a un milionesimo di miliardesimo di secondo:

1fs=1x10^-15s

A queste velocità, utilizzando tecniche di indagine convenzionale, ciò che si osserva è solo il risultato finale del processo, e non la sua dinamica.

La ricerca

Un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'Università di Genova, sotto l’egida di un progetto della Commissione Europea Marie Słodowska Curie, in collaborazione con CNR (istituti SPIN, IOM, ISM e NANO), Politecnico di Milano e Università degli studi di Milano, è riuscito ad acquisire una serie di “istantanee” della distribuzione energetica degli elettroni situati all’interno di nanostrutture eccitate dalla luce, il tutto su scale di tempo comparabili con i processi elettronici.

Questo ha permesso ai ricercatori di ricostruire in dettaglio gli stati intermedi che portano alla ridistribuzione di energia all’interno di tali sistemi.

Lo studio è stato effettuato grazie alla strumentazione disponibile presso il centro di ricerca Elettra Sincrotrone Trieste, dove si generano e si sincronizzano tra loro impulsi di energia elettromagnetica della durata di pochi femtosecondi che permettono di effettuare uno studio stroboscopico ultraveloce della dinamica di questi sistemi.

Questi risultati rappresentano la proof of principle (prova di fattibilità) che sia possibile studiare in tempo reale i processi fondamentali di conversione tra le varie forme di energia, con importanti ricadute su molti campi della scienza e della tecnologia.

I dati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista internazionale Small.

^{Small 17, 2100050 (2021)
“Quantitative Ultrafast Electron-Temperature Dynamics in Photo-Excited Au Nanoparticles”
Maria Sygletou, Stefania Benedetti, Marzia Ferrera, Gian Marco Pierantozzi, Riccardo Cucini, Giuseppe Della Valle, Pietro Carrara, Alessandro De Vita, Alessandro di Bona, Piero Torelli, Daniele Catone, Giancarlo Panaccione, Maurizio Canepa, Francesco Bisio}

^{L'immagine di copertina è una rappresentazione artistica di un atomo e dei suoi elettroni; credits Gerd Altmann da Pixabay}