Pubblicato su Nature Photonics lo studio internazionale guidato dal Politecnico di Milano con la partecipazione del Cnr-Ifn
Comprendere cosa accade dentro un materiale quando viene colpito da impulsi luminosi ultrabrevi è una delle grandi sfide della fisica della materia e della fotonica moderna. Un nuovo studio pubblicato su Nature Photonics e guidato dal Politecnico di Milano rivela un aspetto finora trascurato ma fondamentale: il contributo delle cariche virtuali, portatori che esistono solo durante l’interazione con la luce, ma che influenzano profondamente la risposta del materiale.
La ricerca è stata condotta in collaborazione con l’Università di Tsukuba, il Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter e l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del Cnr di Milano (Cnr-Ifn). Il team ha indagato il comportamento del diamante monocristallino sottoposto a impulsi luminosi della durata di pochi attosecondi (miliardesimi di miliardesimo di secondo), utilizzando una tecnica avanzata chiamata spettroscopia a riflessione transiente su scala degli attosecondi.
Cariche virtuali e nuove scoperte
Confrontando i dati sperimentali con simulazioni numeriche all’avanguardia, i ricercatori hanno isolato l’effetto delle transizioni virtuali verticali tra le bande elettroniche del materiale. Un risultato che cambia radicalmente la prospettiva su come la luce interagisce con i solidi, anche in condizioni estreme finora attribuite solo al movimento di cariche reali.
“Il nostro lavoro dimostra che le eccitazioni di portatori virtuali, che si sviluppano in tempi dell’ordine di pochi miliardesimo di miliardesimo di secondo, sono indispensabili per prevedere correttamente la risposta ottica rapida nei solidi”, ha spiegato Matteo Lucchini, professore presso il Dipartimento di Fisica e autore senior dello studio, associato al Cnr-Ifn.
“Questi risultati rappresentano un passo fondamentale per lo sviluppo di tecnologie ultraveloci nell’elettronica”, aggiunge Rocío Borrego Varillas, ricercatrice presso il Cnr-Ifn.
Verso dispositivi ottici a petahertz
La scoperta apre nuove prospettive per la realizzazione di dispositivi ottici ultraveloci, come interruttori e modulatori in grado di operare a frequenze di petahertz, cioè mille volte più veloci degli attuali dispositivi elettronici.
Per raggiungere questo traguardo è essenziale comprendere a fondo non solo il comportamento delle cariche reali, ma anche quello delle cariche virtuali, come dimostra lo studio.
Il lavoro è stato svolto 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).