Correlación cuántica revelada por un retardo de attosegundos
Posibilidad de aplicaciones revolucionarias como la captación eficiente de energía solar, la tecnología de sensores ultrafinos y la fotocatálisis mejorada
Experimentos con resolución temporal de attosegundos revelan la creciente importancia de las correlaciones electrónicas en la respuesta plasmónica colectiva a medida que el tamaño del sistema disminuye a escalas subnimales. El estudio, publicado en la revista "Science Advances", ha sido dirigido por la Universidad de Hamburgo y el DESY en el marco de una colaboración con Stanford, el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, la Universidad Ludwig-Maximilians de Múnich, la Universidad Estatal del Noroeste de Missouri, el Politécnico de Milán y el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia.
El electrón, propagándose dentro del potencial plasmónico, acumula un retardo de fotoemisión que oscila entre un mínimo de 50 attosegundos y unos 300 attosegundos, dependiendo de su energía cinética.
RMT.Bergues
Los plasmones son excitaciones electrónicas colectivas que dan lugar a efectos únicos en la materia. Proporcionan un medio para lograr un confinamiento extremo de la luz, lo que permite aplicaciones revolucionarias como la captación eficiente de la energía solar, la tecnología de sensores ultrafinos y la fotocatálisis mejorada. La miniaturización de las estructuras plasmónicas a escala nanométrica ha dado lugar al nacimiento del apasionante campo de la nanoplasmónica, donde la energía óptica puede confinarse y manipularse a escalas sin precedentes. "Esta investigación puntera está abriendo nuevas vías para el desarrollo de plataformas ultracompactas de alto rendimiento, en las que las interacciones luz-materia pueden controlarse aprovechando los efectos cuánticos que surgen a nanoescala", afirma Francesca Calegari, jefa del grupo Attosecond Science, profesora de la Universidad de Hamburgo, científica principal del DESY y portavoz del Cluster de Excelencia "CUI: Advanced Imaging of Matter".
Aunque se conocen bien las propiedades de las resonancias plasmónicas en sistemas con dimensiones de hasta unos 10 nanómetros, la comprensión de la plasmónica a escala de unos pocos nanómetros o subnanómetros sigue siendo limitada. En estos sistemas, los fullerenos presentan un caso único: Estas moléculas en forma de jaula, compuestas por átomos de carbono, presentan resonancias plasmónicas gigantes a energías ultravioletas extremas (XUV), que pueden desencadenar la fotoemisión. Las anchuras de línea de estas resonancias son ultraamplias, lo que sugiere tiempos de vida potenciales de attosegundos. Un attosegundo es la milmillonésima parte de la milmillonésima parte de un segundo.
La dinámica ultrarrápida de estos sistemas ofrece una plataforma excepcional para sondear los mecanismos físicos fundamentales que rigen el movimiento electrónico colectivo en partículas plasmónicas subnanométricas. "Comprender estos mecanismos es crucial para avanzar en el campo de la nanoplasmónica", afirma Andrea Trabattoni, investigador del DESY y profesor asociado de la Universidad Leibniz de Hannover (LUH).
En su estudio, los científicos emplearon espectroscopia de attosegundos para investigar experimental y teóricamente la dinámica plasmónica del fullereno más abundante, el C₆₀. Las moléculas se fotoionizaron mediante un pulso ultravioleta extremo ultracorto de 300 attosegundos. Mediante espectroscopia de fotoemisión de attosegundos, los científicos midieron con precisión el retardo necesario para que el electrón escapara de la molécula durante la excitación plasmónica. Descubrieron que el electrón, propagándose dentro del potencial plasmónico, acumula un retardo de fotoemisión que oscila entre un mínimo de 50 attosegundos y unos 300 attosegundos, dependiendo de su energía cinética.
Apoyándose en modelos de mecánica cuántica, el grupo atribuye este retardo a correlaciones cuánticas electrónicas. Estos hallazgos ponen de relieve la necesidad de ir más allá de la imagen clásica del movimiento colectivo de los electrones para comprender plenamente la dinámica de estos entornos ultrarrápidos y confinados.
"Al medir el retardo inducido por las correlaciones cuánticas, estamos desvelando nuevos conocimientos sobre la interacción entre la coherencia electrónica y el confinamiento a escalas subnanométricas", afirma Matthias Kling, catedrático de Ciencia Fotónica de la Universidad de Stanford y director de la división de Ciencia e I+D del LCLS, en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC. "Este trabajo demuestra el poder de las técnicas de attosegundos para sondear la naturaleza cuántica de la materia y abre la puerta a enfoques novedosos en la manipulación de la dinámica ultrarrápida para futuras tecnologías."
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Publicación original
Sh. Biswas, A. Trabattoni, Ph. Rupp, M. Magrakvelidze, M. El-Amine Madjet, U. De Giovannini, M. C. Castrovilli, M. Galli, Q. Liu, E. P. Månsson, J. Schötz1, V. Wanie, P. Wnuk, L. Colaizzi, D. Mocci, M. Reduzzi, M. Lucchini, M. Nisoli, A. Rubio, H. S. Chakraborty, M. F. Kling, F. Calegari Correlation-driven attosecond photoemission delay in the plasmonic excitation of C60 fullerene Science Advances 11, eads0494 (2025)
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