Laser ad attosecondi per scrutare all’interno dei cristalli di silicio
Nei materiali semiconduttori, come il silicio, gli elettroni sono normalmente localizzati attorno agli atomi che formano il cristallo. Queste particelle non si possono muovere e contribuiscono perciò alla corrente continua prodotta quando viene applicata una tensione. Tuttavia, quando questi materiali vengono esposti alla luce, alcuni degli elettroni assorbono un’energia sufficiente da aprirsi un passaggio attraverso la barriera che li tiene legati agli atomi e iniziano a muoversi nel materiale. Gli elettroni mobili rendono il materiale semiconduttore conduttivo, consentendo agli ingegneri di fare dei commutatori di silicio noti come transistor, che sono gli elementi costituenti di tutti i dispositivi digitali. Nell’ambito del progetto ATTOTRON (Attosecond electron processes in solids), finanziato dall’UE, gli scienziati hanno usato impulsi ad attosecondi di luce a raggi X molli per seguire la transizione degli elettroni. Nello specifico, gli scienziati hanno prima esposto i cristalli di silicio a lampi ultra brevi di luce visibile emessi da una fonte laser. Successivamente, i campioni sono stati illuminati con impulsi di luce a raggi X della durata solo di pochi attosecondi. Questa metodologia ha permesso agli scienziati di scattare delle “fotografie” dell’evoluzione temporale del processo di eccitazione innescato dalla luce laser. Durante l’analisi dei dati, il team di ATTOTRON ha trovato delle prove evidenti che la transizione degli elettroni provoca un recupero degli atomi. Essi hanno mostrato che inizialmente solo gli elettroni reagivano, mentre il reticolo atomico rimaneva inalterato. Dopo che gli impulsi laser avevano lasciato i campioni, il reticolo però si riorganizzava in risposta al moto collettivo degli elettroni, trasformando parte dell’energia assorbita in calore trasportato da onde chiamate fononi. La risoluzione temporale dei laser ad attosecondi ha permesso agli scienziati di risolvere questi processi elettronici estremamente brevi che sembravano troppo veloci per essere affrontati sperimentalmente. D’altro canto, un’interpretazione chiara dei dati sperimentali è stata facilitata da simulazioni dinamiche quantistiche. Il lavoro di modellazione ha trattato sia l’eccitazione dell’elettrone che l’interazione degli impulsi a raggi X con il cristallo di silicio. Le scoperte del progetto ATTOTRON riguardanti le dinamiche degli elettroni ultra veloci nel silicio sono state pubblicate nelle prestigiose riviste Nature e Science.
Parole chiave
Laser ad attosecondi, cristalli silicio, dinamiche elettrone, luce raggi X, fononi
