Mesmo mais de 100 anos após a explicação de Einstein sobre a fotoemissão, o processo de emissão de elétrons de um material sólido após a iluminação com luz ainda apresenta surpresas desafiadoras. No relatório agora publicado na revista Ciência pulsos ultracurtos de luz foram empregados para iniciar uma corrida entre elétrons emitidos de diferentes estados iniciais em um material sólido. O tempo dessa corrida revela um resultado inesperado:os elétrons mais rápidos chegam em último lugar.

Para a nova publicação, físicos da Universidade de Bielefeld (Alemanha) cooperaram com colegas do Centro Internacional de Física Donostia e da Universidade do País Basco em San Sebastian (Espanha).

O movimento de um elétron emitido é fortemente afetado por interações dentro do átomo do qual o elétron é emitido. Elétrons fotoemitidos de uma superfície permanecem presos por um tempo, confinado dinamicamente pela barreira centrífuga em torno dos átomos. O movimento desses elétrons ao redor dos núcleos, antes de ser eventualmente emitido, é uma espécie de dança que leva a uma imagem intuitiva (veja a figura) de que os elétrons que permanecem mais tempo dançando ao redor do átomo perdem a corrida e são emitidos por último. Em contraste, elétrons indo direto ganham a corrida. Esta observação exigiu uma revisão de modelos teóricos comuns que descrevem a fotoemissão de sólidos, isto é, esta interação intra-atômica inicial teve que ser levada em consideração e define uma nova pedra angular para futuros modelos melhorados do processo de fotoemissão de sólidos.

Resolver experimentalmente os pequenos atrasos no processo de fotoemissão exigiu cronometrar o evento de emissão, ou seja, o momento em que o elétron deixa o material, com uma resolução sem precedentes de 10 ^-17 segundos. Usain Bolt percorreria neste intervalo de tempo uma distância correspondente ao décimo do raio de um núcleo atômico e mesmo a luz se propaga apenas 3 nm (3x10 ⁹ m). Esta resolução dificilmente concebível permite cronometrar a corrida de elétrons em experimentos que foram realizados na Universidade de Bielefeld usando espectroscopia de laser resolvida no tempo de attossegundo avançada. A escolha do disseleneto de tungstênio como material acabou sendo essencial:ele fornece quatro canais de emissão de fotoelétrons com diferentes propriedades de estado inicial e a excelente estabilidade da superfície possibilitou a coleta de dados de longo prazo, melhorando a significância estatística.

Para a explicação do resultado da corrida de elétrons, uma estreita colaboração com uma equipe de físicos teóricos do Donostia International Physics Center e da Universidade do País Basco em San Sebastian provou ser essencial. A modelagem quantitativa dos processos intra-atômicos e da propagação de elétrons no cristal semicondutor demonstrou que o movimento orbital inicial não deve ser desprezado se a dinâmica do processo de fotoemissão de um sólido for considerada. Ainda assim, o modelo teórico alcançado representa apenas um primeiro passo na interpretação da corrida eletrônica medida, uma vez que o movimento intra-atômico e a propagação no cristal são tratados separadamente. No futuro, esses processos serão tratados em uma abordagem unificada e, portanto, a teoria aprimorada da fotoemissão abrirá novas possibilidades para testar experimentalmente e melhorar nossa compreensão do processo fundamental da fotoemissão.

Os avanços relatados na compreensão da fotoemissão de sólidos tornaram-se viáveis ​​com base em técnicas de laser de attossegundo desenvolvidas recentemente. O controle da luz com resolução de attossegundos abre visões fascinantes sobre a dinâmica do elétron na escala atômica. Considerando que a espectroscopia de femtossegundo serviu para estudar e controlar o movimento atômico, A espectroscopia de attossegundo agora aborda diretamente os fundamentos da interação da luz com a matéria. Além de uma melhor compreensão dos fundamentos, essas técnicas oferecem possibilidades de controlar processos eletrônicos movidos a luz. A espectroscopia aplicada depende da aceleração e desaceleração dos elétrons emitidos em um intenso campo elétrico dependente do tempo. Com base em uma compreensão melhorada do próprio processo de fotoemissão, isso servirá em experimentos futuros para resolver variações de campos de luz com resolução subatômica, ou seja, em uma escala que não era acessível até agora.