Usando espectroscopia de fotoemissão resolvida no tempo de última geração, pesquisadores do Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford observaram diretamente como a luz absorvida por um metal excita seus elétrons, lançando luz sobre processos fundamentais que sustentam muitos dispositivos optoeletrônicos.

Quando a luz atinge um metal, sua energia pode excitar os elétrons, fazendo-os saltar de níveis de energia mais baixos para mais altos. Este processo, conhecido como fotoexcitação, é crucial para uma ampla gama de tecnologias, incluindo células solares, fotodiodos e diodos emissores de luz (LEDs). No entanto, a sequência exata de eventos que ocorrem durante a fotoexcitação permanece indefinida.

Agora, os investigadores capturaram uma sequência detalhada destes eventos em tempo real, proporcionando uma observação direta de como a luz excita os eletrões num metal. A equipe realizou os experimentos no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC e usou um laser ultrarrápido para excitar elétrons em uma fina película de metal. Eles então usaram um espectrômetro de fotoemissão resolvido no tempo para medir a energia e o momento dos elétrons excitados em função do tempo.

Os resultados, publicados na revista Nature, revelam que a fotoexcitação ocorre em uma série de etapas. Primeiro, a luz é absorvida pelo metal, criando um par elétron-buraco. O elétron e o buraco aceleram rapidamente em direções opostas devido aos campos elétricos criados pela onda de luz. Finalmente, o elétron e o buraco se recombinam, emitindo um fóton de luz.

Os pesquisadores conseguiram observar diretamente esse processo usando um pulso de laser ultracurto para excitar os elétrons. Isso permitiu capturar a dinâmica do processo de fotoexcitação em uma escala de tempo de femtossegundos (10-15 segundos).

“Agora podemos ver exatamente o que acontece quando a luz atinge um metal”, disse Philip Heimann, professor de física aplicada na Universidade de Stanford e coautor do estudo. "Esta é uma compreensão fundamental de um processo que é essencial para muitos dispositivos optoeletrônicos."

As descobertas da equipe podem levar ao desenvolvimento de novos dispositivos optoeletrônicos que sejam mais eficientes e tenham tempos de resposta mais rápidos. Eles também poderiam ajudar os pesquisadores a entender como a luz interage com outros materiais, como semicondutores e isolantes.