Físicos de la Universidad de Kiel han logrado investigar el intercambio de energía de los electrones con su entorno en tiempo real y, por lo tanto, distinguir sus fases individuales.

En su experimento, irradiaron grafito con un pulso de luz intenso y ultra corto y filmaron el impacto en el comportamiento de los electrones. Una comprensión completa de los procesos fundamentales involucrados podría ser importante en el futuro para aplicaciones en componentes optoelectrónicos ultrarrápidos. El equipo de investigación ha publicado estos hallazgos en la revista Physical Review Letters.

Las propiedades de un material dependen del comportamiento de sus electrones y átomos constituyentes. Un modelo básico para describir el comportamiento de los electrones es el concepto del llamado gas Fermi, que lleva el nombre del ganador del Premio Nobel Enrico Fermi. En este modelo, los electrones en el material se consideran un sistema gaseoso. De esta manera, es posible describir sus interacciones entre sí.

Para seguir el comportamiento de los electrones sobre la base de esta descripción en tiempo real, el equipo de investigación de Kiel desarrolló un experimento para investigaciones con resolución temporal extrema: si una muestra de material se irradia con un pulso de luz ultrarrápido, los electrones se estimulan para un corto periodo de tiempo. Un segundo pulso de luz retardado libera algunos de estos electrones del sólido.

Un análisis detallado de estos permite extraer conclusiones sobre las propiedades electrónicas del material después de la primera estimulación con luz. Una cámara especial filma cómo la energía luminosa introducida se distribuye a través del sistema de electrones.

La característica especial del sistema Kiel es su resolución temporal extremadamente alta de 13 femtosegundos. Esto lo convierte en una de las cámaras electrónicas más rápidas del mundo. "Gracias a la extremadamente corta duración de los pulsos de luz utilizados, podemos filmar los procesos ultrarrápidos en vivo. Nuestras investigaciones han demostrado que aquí está ocurriendo una cantidad sorprendente de cosas", explicó en un comunicado Michael Bauer, profesor de dinámica ultrarrápida.

Los experimentos del equipo de investigación de Kiel también confirman las predicciones teóricas por primera vez. Permiten una nueva perspectiva sobre un tema de investigación que apenas se ha investigado en esta breve escala de tiempo. "A través de nuestras nuevas posibilidades técnicas, estos procesos complejos y fundamentales se pueden observar directamente por primera vez", dijo Bauer. Este enfoque también podría aplicarse en el futuro para investigar y optimizar movimientos ultrarrápidos de electrones agitados por la luz en materiales con propiedades ópticas prometedoras.