Nuove proprietà dei materiali, ottenibili rapidamente e su richiesta: questa visione si avvicina grazie alle recenti scoperte di un gruppo di ricerca europeo, che coinvolge anche il MPSD. Il team utilizza campi luminosi ultrabrevi e intensi per osservare direttamente come emergono in un cristallo esotici stati energetici conosciuti come bande di Floquet. I ricercatori riportano le loro scoperte sulla rivista scientifica Nature.
“La scoperta di nuove proprietà dei materiali dipende solitamente dalla nostra capacità di controllare la composizione chimica del materiale”, afferma Ulrich Höfer, professore di fisica sperimentale presso l’Università di Marburg e professore ospite presso l’Università di Regensburg. “La manipolazione puramente ottica delle proprietà dei materiali, d’altra parte, potrebbe portare la fisica in una nuova era, consentendo nuove funzioni su richiesta”.
Stimolare eccitazioni periodiche degli elettroni con forte luce porta a effetti quantistici esotici: le perturbazioni periodiche dal campo luminoso forte fanno sì che gli elettroni abbiano non solo uno stato di energia fissa, ma molti stati di energia uniformemente spaziati.
“Lo stato di energia originale si circonda, per così dire, con diverse buste di luce”, spiega Rupert Huber, professore presso l’Institute for Experimental and Applied Physics dell’Università di Regensburg e co-autore dello studio. Gli esperti si riferiscono a questo stato come uno stato di Floquet. “Tuttavia, le proprietà dinamiche di tali stati – ad esempio, la questione di quanto tempo ci voglia perché gli elettroni si ‘vestano’ di luce – sono rimaste sconosciute fino ad ora”, ha spiegato Huber.
Il Collaborative Research Centres Structure and Dynamics of Internal Interfaces ed Emergent Relativistic Effects in Condensed Matter della German Research Foundation presso le Università di Marburg e Regensburg offrono condizioni ideali per colmare queste lacune di ricerca. Il team ha scelto la spettroscopia fotoelettronica per studiare la superficie di un cristallo.
“Con le nostre misurazioni, abbiamo superato il limite di quanto si poteva realizzare con questa spettroscopia fino ad oggi in termini di risoluzione temporale in campi luminosi forti”, sottolinea Suguru Ito, postdoc presso l’Università di Marburg e primo autore del paper. Di conseguenza, il team ha fatto una scoperta imprevista, ha detto: “Sorprendentemente, le bande di Floquet si formano dopo un singolo ciclo ottico, un tempo molto breve”.
“I revisori non potevano crederci all’inizio!” aggiunge Höfer. Ma i risultati sperimentali chiari sono supportati dalla modellizzazione teorica, portata avanti da Michael Schüler del Paul Scherrer Institute di Villigen, in Svizzera, e da Michael Sentef, ex responsabile di gruppo presso il Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter di Amburgo e ora professore di Fisica dello Stato Solido presso l’Università di Brema.
Il lavoro fornisce importanti nuove informazioni sull’evoluzione delle bande di Floquet, spiega Sentef: “Il vestire degli elettroni con la luce è spesso particolarmente difficile nei solidi, perché l’energia introdotta viene rapidamente convertita in calore. Dimostrando che tale dressing avviene dopo soli un singolo ciclo ottico, prepariamo il terreno per un rapido e forte cambiamento delle proprietà dei solidi con la luce”.
“Il nostro esperimento apre la possibilità di visualizzare una vasta gamma di stati quantistici transitori”, aggiunge Huber. “Questo prepara il terreno per funzioni quantistiche su misura e per l’elettronica ultraveloce”.
In Other News Around the World: