FERMI osserva il dialogo ultrarapido tra elettroni e atomi

Quando un materiale assorbe luce, gli elettroni reagiscono quasi subito; gli atomi del reticolo iniziano a muoversi poco dopo. In questo dialogo ultrarapido si decide come l’energia viene assorbita, dissipata o trasformata. È un passaggio centrale per comprendere materiali che interessano elettronica, conversione energetica e gestione del calore, ma è anche un fenomeno difficile da vedere mentre accade.

Un team internazionale guidato da Elettra Sincrotrone Trieste ha osservato questo processo nella grafite alla beamline MagneDyn del free-electron laser FERMI. La tecnica, chiamata spettroscopia RIXS risolta nel tempo, usa un impulso laser per perturbare il materiale e un impulso di raggi X ritardato per interrogare ciò che cambia. Un femtosecondo è un tempo quasi indecente da immaginare — rispetto a un secondo, è come un secondo rispetto a circa 32 milioni di anni — ma è la scala su cui si muovono elettroni e vibrazioni atomiche.

Il risultato mostra che le bande elettroniche della grafite non sono uno sfondo immobile su cui gli elettroni si spostano. Nei primi 70 femtosecondi la loro riorganizzazione è guidata soprattutto dalla popolazione elettronica eccitata; in un secondo momento entrano in gioco specifiche vibrazioni del reticolo, i fononi, che modificano ulteriormente le energie degli elettroni. Separare questi due passaggi significa capire dove e quando l’energia prende strade diverse.

La grafite è un materiale modello, non il punto di arrivo applicativo della storia. Il valore del lavoro è nella capacità di distinguere contributi elettronici e vibrazionali selezionando anche orbitali e regioni diverse dello spazio dei momenti. Prima di progettare materiali più efficienti, bisogna poter osservare come perdono o redistribuiscono energia; FERMI rende questo passaggio sperimentalmente accessibile.