L'olografia incontra la spettroscopia: metodo di microscopia ultraveloce per processi ottici
Un team di ricerca di Heidelberg e Milano sviluppa una nuova tecnica di microscopia per studiare i materiali energetici
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Un metodo di microscopia estremamente veloce per ricercare l'interazione tra luce e materia permette di studiare i processi ottici su tempi molto brevi. A questo scopo, un gruppo di ricerca italo-tedesco sta combinando in modo innovativo l'imaging olografico con la spettroscopia ultraveloce. In questo modo, è possibile osservare anche fenomeni elettronici e magnetici di brevissima durata, che svolgono un ruolo importante nello sviluppo e nell'applicazione di nuovi materiali energetici. La ricerca è stata condotta nell'ambito di una collaborazione internazionale tra scienziati dell'Istituto di Chimica Fisica dell'Università di Heidelberg, del Politecnico di Milano e dell'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie di Milano (Italia).
Il cuore della ricerca è un microscopio a pompa, utilizzato per condurre i cosiddetti esperimenti di eccitazione e rilevamento. In questo processo, il materiale in esame viene prima eccitato da un breve impulso di luce, mentre un secondo impulso registra la risposta in funzione del tempo. Confrontando le misure effettuate con l'eccitazione accesa e spenta, è possibile ricostruire con precisione questi processi. "La combinazione dell'imaging olografico con la spettroscopia ultraveloce ci permette di risolvere spazialmente le dinamiche elettroniche e magnetiche e di seguirle su scale temporali che vanno dai femtosecondi ai picosecondi", spiega la dott.ssa Julia Anthea Gessner, che svolge attività di ricerca come responsabile del progetto del Centro di ricerca collaborativo 1249 "N-eteropoli come materiali funzionali" e come capogruppo presso l'Istituto di chimica fisica.
L'innovativo metodo sviluppato dal team di ricerca italo-tedesco consente di visualizzare simultaneamente fenomeni elettromagnetici ultraveloci su ampi campi visivi, spiega il dottor Martin Hörmann del Politecnico di Milano. A differenza di altre tecniche di microscopia, questo permette di imaging di aree su scala micrometrica e di generare "film" risolti nel tempo delle dinamiche di carica e spin degli elettroni. Inoltre, in questo modo è possibile rendere visibili i cambiamenti indotti dalla luce nelle proprietà ottiche dei materiali. "Il nostro approccio chirotico apre quindi possibilità del tutto nuove per l'osservazione diretta dei processi dinamici nei materiali complessi", afferma il dottor Hörmann, che ha svolto un ruolo chiave nella ricerca attuale insieme al dottor Gessner e al dottorando Federico Visentin.
Questa tecnica di imaging ultraveloce ad alta risoluzione è destinata principalmente ai materiali energetici. Questi materiali sono rilevanti per le tecnologie sostenibili come le celle solari, i LED, gli spin-LED o i componenti elettronici innovativi. "La tecnica di microscopia fornisce nuove conoscenze sui processi ottici ultraveloci, in particolare per quanto riguarda il modo in cui cambiano in risposta alla composizione e alla struttura dei materiali", sottolinea il Prof. Dr. Felix Deschler, che svolge attività di ricerca presso l'Istituto di Chimica Fisica dell'Università di Heidelberg. Secondo il Prof. Dr. Franco V. A. Camargo, scienziato dell'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie di Milano, la ricerca sull'interazione tra luce e materia può fornire importanti spunti per lo sviluppo di componenti efficienti e durevoli per l'optoelettronica e la spintronica.
La ricerca è stata finanziata dall'Unione Europea. È stata condotta nell'ambito delle sovvenzioni di avviamento assegnate al Prof. Deschler e al Prof. Camargo dal Consiglio europeo della ricerca (CER). I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista "Nature Photonics".
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