Razumijevanje onoga što se događa unutar materijala kada ga pogode ultrakratki svjetlosni impulsi jedno je od najvećih izazova fizike materijala i moderne fotonike. Nova studija objavljena u časopisu Nature Photonics, koju je vodio Politecnico di Milano, otkriva do sada zanemaren, ali ključan aspekt – utjecaj takozvanih “virtuelnih naboja”, nosilaca naelektrisanja koji postoje samo tokom interakcije sa svjetlošću, ali koji duboko utiču na reakciju materijala.
Istraživanje, sprovedeno u saradnji s Univerzitetom u Tsukubi, Institutom Max Planck za strukturu i dinamiku materije te Institutom za fotoniku i nanotehnologiju (Cnr-Ifn), ispitivalo je ponašanje monokristalnih dijamanata izloženih svjetlosnim impulsima koji traju svega nekoliko atosekundi (milijarditi dio milijarditog dijela sekunde). Za to je korištena napredna tehnika poznata kao “spektroskopija prolazne refleksije u atosekundnoj skali”.
Uspoređujući eksperimentalne podatke s najsavremenijim numeričkim simulacijama, naučnici su uspjeli izdvojiti efekat tzv. virtuelnih vertikalnih prijelaza između elektronskih pojaseva u materijalu. Ovo otkriće mijenja način na koji razumijemo interakciju svjetlosti i čvrstih materijala – čak i u ekstremnim uslovima koji su se ranije pripisivali samo kretanju stvarnih električnih naboja.
„Naš rad pokazuje da je pobuđivanje virtuelnih nosilaca, koje se odvija u svega nekoliko milijarditih dijelova milijarditog dijela sekunde, neophodno za tačno predviđanje ultrabrzog optičkog odgovora u čvrstim materijalima“, objašnjava profesor Matteo Lucchini s Odsjeka za fiziku i glavni autor studije.
„Ovi rezultati predstavljaju ključni korak ka razvoju ultrabrzih elektronskih tehnologija“, dodaje istraživačica Rocío Borrego Varillas iz CNR-IFN-a.
Ovo otkriće otvara vrata stvaranju ultrabrzih optičkih uređaja, poput prekidača i modulatora koji bi mogli raditi na petahercnim frekvencijama – hiljadu puta brže od današnjih elektronskih komponenti. Da bi to bilo moguće, potrebno je potpuno razumjeti ponašanje i stvarnih i virtuelnih naboja, što je upravo dokazano ovom studijom.
Istraživanje je provedeno u Centru za atosekundna istraživanja (ARC) Politehničkog univerziteta u Milanu, u okviru evropskih i nacionalnih projekata ERC AuDACE (Attosecond Dynamics in AdvanCed matErials) i MIUR FARE PHorTUNA (PHase Transition Ultrafast dyNAmics in Mott insulators).
