Esistono fenomeni così rapidi da sfidare la nostra comprensione della realtà. Quando un impulso di luce colpisce un materiale per una durata di pochi attosecondi - ovvero miliardesimi di miliardesimi di secondo - si scatenano processi che fino ad oggi erano rimasti in gran parte inesplorati. Un team di ricercatori guidato dal Politecnico di Milano ha scoperto che in questi istanti infinitesimali, cariche "virtuali" giocano un ruolo fondamentale nel determinare la risposta del materiale alla luce.
Il diamante sotto la lente degli attosecondi
Per comprendere questi meccanismi ultrarapidi, gli scienziati hanno scelto come soggetto di studio cristalli di diamante monocristallino, bombardandoli con impulsi luminosi della durata di pochi attosecondi. La spettroscopia di riflettanza transiente su scala attosecondica - questa la tecnica avanzata utilizzata - ha permesso di osservare fenomeni che avvengono in tempi talmente brevi da essere quasi inconcepibili per la mente umana.
La ricerca, frutto della collaborazione tra il Politecnico di Milano, l'Università di Tsukuba, il Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter e l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR, ha rivelato l'esistenza di portatori di carica virtuali che, pur non esistendo fisicamente nel senso tradizionale, influenzano profondamente il comportamento del materiale durante l'interazione con la luce.
Quando il virtuale diventa reale
Il concetto di "carica virtuale" potrebbe sembrare astratto, ma i suoi effetti sono tutt'altro che teorici. Questi portatori di carica esistono esclusivamente durante l'interazione con la luce e si manifestano attraverso transizioni verticali virtuali tra le bande elettroniche del materiale. Matteo Lucchini, professore del Dipartimento di Fisica e autore senior dello studio, sottolinea l'importanza di questa scoperta: "Il nostro lavoro dimostra che l'eccitazione di portatori virtuali, che si sviluppa in pochi miliardesimi di miliardesimo di secondo, è indispensabile per predire correttamente la rapida risposta ottica nei solidi".
L'integrazione tra dati sperimentali e simulazioni numeriche all'avanguardia ha permesso ai ricercatori di isolare e comprendere questi effetti virtuali, cambiando radicalmente la prospettiva su come la luce interagisce con i materiali solidi. Questo nuovo paradigma si rivela cruciale anche in condizioni estreme, precedentemente attribuite solo al movimento delle cariche reali.
Verso l'elettronica del futuro
Le implicazioni pratiche di questa ricerca si estendono ben oltre la comprensione teorica. Rocío Borrego Varillas, ricercatrice presso il CNR-IFN, evidenzia come "questi risultati segnano un passo chiave nello sviluppo di tecnologie ultra-veloci nell'elettronica". La possibilità di creare dispositivi ottici ultrarapidi, come interruttori e modulatori capaci di operare a frequenze petahertz, rappresenta una frontiera tecnologica rivoluzionaria.
Per contestualizzare questa velocità: i dispositivi petahertz potrebbero funzionare mille volte più velocemente rispetto agli attuali dispositivi elettronici. Tuttavia, per raggiungere questo traguardo è necessaria una comprensione profonda sia del comportamento delle cariche reali che di quelle virtuali, esattamente quello che questo studio ha iniziato a fornire.
La ricerca è stata condotta presso l'Attosecond Research Center (ARC) del Politecnico di Milano, nell'ambito dei progetti europei e nazionali ERC AuDACE (Attosecond Dynamics in AdvanCed matErials) e MIUR FARE PHorTUNA (PHase Transition Ultrafast dyNAmics in Mott insulators), pubblicata sulla prestigiosa rivista Nature Photonics.