Físicos revelan hallazgos inesperados sobre la emisión de electrones

Incluso un siglo después de la explicación por Einstein de la fotoemisión, el proceso de emisión de electrones de un material sólido tras recibir luz sigue presentando sorpresas desafiantes.

Ahora, investigadores han empleado pulsos ultra cortos de luz para iniciar una carrera entre los electrones emitidos de diferentes estados iniciales en un material sólido. La sincronización de esta carrera revela un resultado inesperado: los electrones más rápidos llegan al último lugar.

Para esta nueva investigación, que se detalla en un artículo publicado en la revista ‘Science’, físicos de la Universidad de Bielefeld, en Alemania, colaboraron con colegas del Centro Internacional de Física de Donostia y de la Universidad del País Vasco en San Sebastián.

El movimiento de un electrón emitido resulta fuertemente afectado por las interacciones dentro del átomo del cual se emite el electrón. Los electrones fotoiluminados de una superficie permanecen atrapados durante un tiempo, confinados dinámicamente por la barrera centrífuga alrededor de los átomos.

El movimiento de estos electrones alrededor de los núcleos, antes de ser finalmente emitidos, es una especie de danza que conduce a una imagen intuitiva en la que los electrones que permanecen más tiempo bailando alrededor del átomo pierden la carrera y son emitidos los últimos. En contraste, los electrones que van directamente ganan la carrera, informa la UPV en un comunicado.

Esta observación requirió una revisión de los modelos teóricos comunes que describen la fotoemisión de sólidos, es decir, se tuvo que tener en cuenta esta interacción intra-atómica y establece una nueva piedra angular para futuros modelos mejorados del proceso de fotoemisión a partir de sólidos.

Resolver experimentalmente los minúsculos retrasos en el proceso de fotoemisión requirió la temporización del evento de emisión, es decir, el momento en que el electrón deja el material, con una resolución sin precedentes de 10-17 segundos. El exatleta jamaicano Usain Bolt correría en este intervalo de tiempo una distancia correspondiente a la décima parte del radio de un núcleo atómico e incluso la luz se propagaría sólo a 3 nm.

Esta resolución difícilmente concebible permite la sincronización de la carrera de electrones en experimentos que se realizaron en la Universidad de Bielefeld utilizando espectroscopía láser avanzada de resolución en attosegundos. La elección de diseleniuro de tungsteno como material resultó ser esencial: proporciona cuatro canales de emisión de fotoelectrones con diferentes propiedades de estado inicial y la excelente estabilidad de la superficie permitió la recolección de datos a largo plazo mejorando la significación estadística.

Para la explicación del resultado de la carrera de electrones resultó esencial una estrecha colaboración con un equipo de físicos teóricos del Centro Internacional de Física de Donostia y de la Universidad del País Vasco en San Sebastián. El modelado cuantitativo de los procesos intraatómicos y la propagación de electrones en el cristal semiconductor demostraron que el movimiento orbital inicial no debe descuidarse si se considera la dinámica del proceso de fotoemisión a partir de un sólido.

Sin embargo, el modelo teórico alcanzado representa sólo un primer paso en la interpretación de la medición de la carrera de electrones, ya que el movimiento intraatómico y la propagación en el cristal se tratan por separado. En el futuro, estos procesos se tratarán en un enfoque unificado y la teoría de la fotoemisión mejorada abrirá nuevas posibilidades para probar experimentalmente y mejorar nuestra comprensión del proceso muy fundamental de la fotoemisión.

Fuente: Europa Press

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