Quando la luce colpisce la materia: ricercatori di Kaiserslautern visualizzano l'efficienza dell'eccitazione ottica nei solidi

Stimolazione ottica nel solido con successiva interferenza degli elettroni fotoemessi. In basso sono visibili gli orbitali, la cui orientazione rispetto alle posizioni degli atomi (piccole sfere bianche) è responsabile dell'orientamento dei momenti dipolari di transizione. Le curve illustrano le stimolazioni ottiche incidenti dall'alto attraverso due impulsi incrociati. Sopra è rappresentata la forma del segnale di misurazione sperimentale atteso. (Foto: Nature Communications)

L'interazione tra luce e materia è responsabile, ad esempio, del fatto che le piante svolgano la fotosintesi e che le celle solari producano energia elettrica. L'efficienza dell'assorbimento della luce nella materia è determinata su scala microscopica dai cosiddetti momenti di dipolo di transizione. Il gruppo di lavoro del Prof. Dr. Martin Aeschlimann e del Dr. Benjamin Stadtmüller presso il TU Kaiserslautern (TUK) ha sviluppato un metodo per rendere visibile l'orientamento di questi momenti di dipolo nei solidi. Si basa sulla sovrapposizione coerente di elettroni che un solido emette tramite fotoemissione durante l'eccitazione ottica. La rivista "Nature Communications" ha pubblicato i risultati.

Quanto può essere efficiente l'interazione tra luce e materia? La risposta a questa domanda risiede in due proprietà della luce incidente: il suo colore (lunghezza d'onda) e l'angolo di incidenza sulla superficie del materiale. Se la luce colpisce il materiale a un angolo sfavorevole, viene assorbita molto poco. In altre parole, la luce fatica a cedere la sua energia al solido. D'altra parte, ci sono direzioni di incidenza lungo le quali si verifica un'assorbimento della luce estremamente efficiente nel materiale. Questa dipendenza dall'orientamento dell'assorbimento di luce a livello microscopico è descritta dai suddetti momenti di dipolo di transizione. Questi riflettono le simmetrie degli stati elettronici della materia e sono quindi anch'essi determinati dalla loro struttura.

Nei molecole di colorante, come quelle impiegate ad esempio nella fotosintesi, l'orientamento dei dipoli di transizione ottici e l'assorbimento di luce dipendente dall'angolo sono quasi completamente compresi. Se tali molecole possiedono una simmetria strutturale particolarmente pronunciata, ad esempio attraverso una concatenazione di anelli di carbonio, il momento di dipolo si orienta lungo o perpendicolarmente a questo asse di simmetria. Se il campo elettrico della luce è parallelo ai momenti di dipolo, viene assorbito in modo efficiente.

Nei sistemi di solidi metallici o semiconduttori, impiegati per la produzione di energia nelle celle fotovoltaiche, questa logica illustrativa non può essere applicata. Il motivo è che in questi sistemi molti stati elettronici si sovrappongono.

Questa sfida è stata ora superata dai ricercatori di Kaiserslautern. Per farlo, hanno analizzato l'eccitazione ottica su una superficie d'argento utilizzando elettroni emessi tramite fotoemissione. La particolarità del nuovo approccio è la configurazione sperimentale: invece di due impulsi di luce identici, i ricercatori utilizzano una sequenza di due impulsi con campi elettrici orientati perpendicolarmente, chiamati "incrociati". "Attraverso questa disposizione speciale dei campi elettrici della luce, siamo riusciti a realizzare un sensore ottico molto sensibile all'orientamento dei momenti di dipolo nei materiali", spiega Tobias Eul, primo autore dello studio. "L'orientamento dei momenti di dipolo può essere calcolato più o meno dalla grandezza del segnale di misura per diverse orientazioni degli impulsi laser incrociati rispetto alla superficie del campione." La validità generale di questa procedura è stata inoltre confermata da dettagliate simulazioni numeriche.

Nel corso del loro esperimento, i ricercatori hanno reso visibili i momenti di dipolo di transizione di due diversi canali di eccitazione ottica sulla superficie d'argento. Hanno anche potuto trarre conclusioni sulla sovrapposizione degli stati elettronici nel volume del solido d'argento. Il loro metodo e le considerazioni teoriche alla base possono quindi essere applicati in modo generale ai sistemi di solidi. Ciò apre la possibilità di ottenere ulteriori approfondimenti sulle correlazioni tra le simmetrie della struttura della materia e l'efficienza dell'eccitazione ottica.

Il lavoro di questa ricerca è stato condotto nell'ambito del progetto di ricerca speciale Spin+X ("Spin nel suo ambiente collettivo"), finanziato congiuntamente dall'Università Johannes Gutenberg di Magonza e dal Deutsche Forschungsgemeinschaft. I risultati delle misurazioni e delle simulazioni, così come una descrizione della configurazione sperimentale, sono stati pubblicati sulla rinomata rivista "Nature Communications": "Risposta coerente del sistema elettronico guidata da impulsi laser non interferenti"; Tobias Eul, Eva Prinz, Michael Hartelt, Benjamin Frisch, Martin Aeschlimann & Benjamin Stadtmüller.

L'articolo in inglese è accessibile gratuitamente: doi.org/10.1038/s41467-022-30768-9

Per domande:
Dr. Benjamin Stadtmüller
Dipartimento di Fenomeni Ultraveloci alle Superfici / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
E-mail: bstadtmueller@physik.uni-kl.de