Cuando la luz brilla en ciertos materiales, los hace emitir electrones. Esto se llama "fotoemisión" y fue descubierto por Albert Einstein en 1905, lo que le valió el Premio Nobel.
Pero sólo en los últimos años, con los avances en la tecnología láser, los científicos han sido capaces de acercarse a los plazos increíblemente cortos de fotoemisión.
Los investigadores de la EPFL han determinado ahora un retraso de una milmillonésima parte de una milmillonésima parte de un segundo en la fotoemisión midiendo el giro de los electrones fotoemitados sin necesidad de pulsos de láser ultracortos. El descubrimiento se publica en Physical Review Letters.
La fotoemisión ha demostrado ser un fenómeno importante, formando una plataforma para técnicas de espectroscopía de vanguardia que permiten a los científicos estudiar las propiedades de los electrones en un sólido.
Una de estas propiedades es el espín, una propiedad cuántica intrínseca de las partículas que las hace parecer como si giraran alrededor de su eje. El grado en que este eje está alineado hacia una dirección particular se denomina polarización de espín, que es lo que da a algunos materiales, como el hierro, propiedades magnéticas.
Aunque ha habido un gran progreso en el uso de fotoemisión y polarización de espín de los electrones foto-emitidos, la escala de tiempo en la que todo este proceso se lleva a cabo no se han explorado con gran detalle. La suposición común es que, una vez que la luz alcanza el material, los electrones son instantáneamente excitados y emitidos. Pero los estudios más recientes que utilizan la tecnología láser avanzada han desafiado esto, demostrando que hay realmente un retraso de tiempo en la escala de attosegundos.
El laboratorio de Hugo Dil, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), con colegas en Alemania, mostró que durante la fotoemisión, la polarización de espín de los electrones emitidos puede estar relacionada con los tiempos de demora de attosegundos de la fotoemisión. Lo que es más importante, lo han demostrado sin necesidad de ninguna resolución o medida experimental en el tiempo, esencialmente, sin necesidad de un reloj.
Para ello, los científicos utilizaron un tipo de espectroscopia de fotoemisión (SARPES) para medir el giro de los electrones foto-emitidos de un cristal de cobre.
"Con los láser se puede medir directamente el tiempo de espera entre los diferentes procesos, pero es difícil determinar cuándo comienza un proceso - tiempo cero", dice Mauro Fanciulli, estudiante de doctorado del grupo de Dil y primer autor del artículo. "Pero en nuestro experimento medimos el tiempo indirectamente, por lo que no tenemos ese problema y podríamos tener acceso a una de las escalas de tiempo más cortas jamás medida. Las dos técnicas (espín y láser), son complementarios, y juntos pueden producir un nuevo mundo completo de información".
La información sobre la escala de tiempo de la fotoemisión se incluye en la función de onda de los electrones emitidos. Esta es una descripción cuántica de la probabilidad de que se pueda encontrar cualquier electrón dado en un momento dado. Mediante el uso de SARPES, los científicos fueron capaces de medir el giro de los electrones, que a su vez les permitió acceder a sus propiedades de la función de onda.
"El trabajo es una prueba de principio que puede desencadenar más investigación fundamental y aplicada", dice Hugo Dil. "Se trata de la naturaleza fundamental del tiempo en sí mismo y ayudará a comprender los detalles del proceso de fotoemisión, pero también se puede utilizar en la espectroscopia de fotoemisión sobre materiales de interés". Algunos de estos materiales incluyen grafeno y superconductores de alta temperatura, que Dil y sus colegas estudiarán a continuación.