Seguire gli elettroni caldi alla scala atomica

Sfruttare i portatori caldi fotoeccitati – elettroni e lacune con energia fortemente fuori equilibrio – è da tempo uno degli obiettivi chiave della nanofotonica, con la prospettiva di rivoluzionare dispositivi fotovoltaici ad alta efficienza, controllare reazioni fotochimiche a singola molecola o realizzare interruttori tutti-ottici ultraveloci basati su metasuperfici. Nonostante l’enorme potenziale, progettare nanostrutture per applicazioni basate su portatori caldi rappresenta ancora una sfida. Uno dei principali ostacoli risiede nella difficoltà di investigare direttamente i portatori caldi nelle loro scale caratteristiche di spazio (Angstrom, 10^-10 metri), tempo (femtosecondi, 10^-15 secondi) ed energia (elettronvolt), alla luce dell’impossibilità di raggiungere simultaneamente tutte e tre queste risoluzioni.

In uno studio recentemente pubblicato su Nature Communications, ricercatori del Politecnico di Milano e del Max Planck Institute for Solid State Research (MPI-FKF) hanno superato questo limite combinando modellistica avanzata e spettroscopia nonlineare a femtosecondi. Il team è riuscito a catturare la dinamica ultrarapida dei portatori caldi su scala atomica, aprendo una finestra senza precedenti sul loro comportamento.

Utilizzando una microscopia a femtosecondi su scala atomica, gli scienziati hanno visualizzato elettroni caldi fotoeccitati all’interno di una picocavità di metallo – una cavità ottica confinata a dimensioni sub-nanometriche. Gli esperimenti hanno mostrato che i portatori caldi possono modulare un segnale anti-Stokes di scattering Raman elettronico di risonanza a largo spettro con frequenze ultraveloci (fino a decine di THz), e con un tempo di recupero inferiore a 150 femtosecondi – ben più veloce dei tipici processi di rilassamento. Questa capacità di controllare otticamente segnali su scale temporali così rapide apre nuove prospettive per schemi di commutazione tutta ottica su scala atomica. A complemento degli esperimenti, simulazioni numeriche hanno messo in luce l’evoluzione spaziotemporale dipendente dall’energia della dinamica elettronica, identificando i principali meccanismi alla base della risposta osservata.

I ricercatori hanno inoltre dimostrato il potenziale di questa tecnica mappando la distribuzione dei portatori caldi e le risposte ottiche nonlineari in un singolo nanofilo di grafene. Questa microscopia ottica nonlineare su scala atomica ha rivelato variazioni spaziali delle proprietà ottiche a livello sub-molecolare – caratteristiche finora accessibili solo tramite misure d’insieme su scala macroscopica.

Questi risultati rappresentano un importante passo avanti per la nanofotonica e l’ottica nonlineare, offrendo una nuova piattaforma per studiare e manipolare le interazioni luce–materia fuori equilibrio in materiali quantistici complessi su scale ben inferiori alla lunghezza d’onda della luce. Lo studio pone le basi per lo sviluppo di nuovi sistemi picofotonici con funzionalità ottiche on-demand.