Os cientistas da EPFL conseguiram medir o retardo de tempo ultracurto na fotoemissão de elétrons sem usar um relógio. A descoberta tem implicações importantes para a pesquisa fundamental e tecnologia de ponta.

Quando a luz incide sobre certos materiais, faz com que eles emitam elétrons. Isso é chamado de "fotoemissão" e foi explicado por Albert Einstein em 1905, ganhando o Prêmio Nobel. Mas apenas nos últimos anos, com os avanços na tecnologia de laser, os cientistas foram capazes de abordar as escalas de tempo incrivelmente curtas de fotoemissão. Os pesquisadores da EPFL já determinaram um atraso de um bilionésimo de um bilionésimo de segundo na fotoemissão medindo o spin dos elétrons fotoemitidos sem a necessidade de pulsos de laser ultracurtos. A descoberta é publicada em Cartas de revisão física .

Fotoemissão

A fotoemissão provou ser um fenômeno importante, formando uma plataforma para técnicas de espectroscopia de ponta que permitem aos cientistas estudar as propriedades dos elétrons em um sólido. Uma dessas propriedades é o spin, uma propriedade quântica intrínseca das partículas que as faz parecer que estão girando em torno de seu eixo. O grau em que este eixo está alinhado em direção a uma direção particular é referido como polarização de spin, que é o que dá alguns materiais, como ferro, Propriedades magneticas.

Embora tenha havido um grande progresso no uso de fotoemissão e polarização de spin de elétrons foto-emitidos, a escala de tempo em que todo esse processo ocorre não foi explorada em detalhes. A suposição comum é que, uma vez que a luz atinge o material, elétrons são instantaneamente excitados e emitidos. Mas estudos mais recentes usando tecnologia de laser avançada desafiaram isso, mostrando que há realmente um atraso na escala de attossegundos.

Tempo sem relógio

O laboratório de Hugo Dil na EPFL, com colegas na Alemanha, mostrou que durante a fotoemissão, a polarização do spin dos elétrons emitidos pode estar relacionada aos atrasos de attossegundo da fotoemissão. Mais importante, eles mostraram isso sem a necessidade de qualquer resolução de tempo experimental ou medição - essencialmente, sem a necessidade de um relógio. Para fazer isso, os cientistas usaram um tipo de espectroscopia de fotoemissão (SARPES) para medir o spin dos elétrons foto-emitidos de um cristal de cobre.

"Com os lasers você pode medir diretamente o tempo de atraso entre diferentes processos, mas é difícil determinar quando um processo começa - tempo zero, "diz Mauro Fanciulli, aluna de doutorado do grupo de Dil e primeira autora do artigo. "Mas em nosso experimento medimos o tempo indiretamente, então não temos esse problema - poderíamos acessar uma das escalas de tempo mais curtas já medidas. As duas técnicas [spin e lasers], são complementares, e juntos eles podem produzir um novo domínio de informações. "

A informação sobre a escala de tempo da fotoemissão está incluída na função de onda dos elétrons emitidos. Esta é uma descrição quântica da probabilidade de onde qualquer elétron pode ser encontrado em um determinado momento. Usando SAPRES, os cientistas conseguiram medir o spin dos elétrons, que por sua vez lhes permitiu acessar suas propriedades de função de onda.

“O trabalho é uma prova de princípio que pode desencadear mais pesquisas fundamentais e aplicadas, "diz Hugo Dil." Lida com a natureza fundamental do próprio tempo e ajudará a entender os detalhes do processo de fotoemissão, mas também pode ser usado em espectroscopia de fotoemissão em materiais de interesse. "Alguns desses materiais incluem grafeno e supercondutores de alta temperatura, que Dil e seus colegas irão estudar a seguir.