Zero photoemission from icosahedral superatoms

La luce è uno strumento fondamentale per comprendere il mondo materiale. Quando un fotone di luce colpisce un atomo o una molecola, può scalzare un elettrone, facendolo volare via. Questo processo, noto come fotoemissione, è alla base di tutto, dai pannelli solari ai sensori delle fotocamere digitali. Per decenni, i fisici hanno saputo che la probabilità che ciò accada — il numero di elettroni espulsi — solitamente aumenta costantemente una volta che la luce ha energia sufficiente per superare la morsa dell'elettrone. Tuttavia, esiste un'eccezione peculiare a questa regola. In determinate condizioni specifiche, la probabilità che un elettrone venga espulso può scendere quasi a zero, anche quando la luce è abbastanza forte da poter compiere l'operazione. Questo fenomeno, chiamato minimo di Cooper, si verifica quando la natura ondulatoria dell'elettrone e della luce interagiscono in modo tale da annullarsi a vicenda. Sebbene questo effetto sia stato osservato in singoli atomi, non è mai stato visto in strutture artificiali più grandi, portando gli scienziati a chiedersi se fosse un bizzarro caso unico di singoli atomi o una regola universale in attesa di essere scoperta.

Un team di ricercatori della Kyushu University e della Health Sciences University di Hokkaido ha ora dimostrato che questa "fotoemissione zero" può essere ingegnerizzata deliberatamente in un complesso cluster artificiale di atomi. Hanno creato una minuscola gabbia sferica composta da dodici atomi di argento con un singolo atomo di tungsteno nascosto proprio al centro. Questa struttura, nota come superatomo, imita il comportamento di un singolo grande atomo. Spara impulsi laser contro questi cluster con quantità variabili di energia, gli scienziati hanno osservato quanti elettroni venivano scalzati. Hanno scoperto che, a un determinato livello di energia, esattamente 0,85 elettronvolt sopra il minimo richiesto per liberare un elettrone, l'emissione si è interrotta completamente. Il segnale è svanito. Il cluster è diventato perfettamente trasparente alla luce, rifiutandosi di rilasciare alcun elettrone. Questo non è stato un calo graduale dell'attività, ma un silenzio totale, una completa soppressione dell'effetto fotoelettrico che era stato precedentemente teorizzato solo per sistemi di tali dimensioni.

Per capire perché ciò sia accaduto, bisogna guardare alla forma delle nuvole elettroniche all'interno di questi cluster. Nel cluster argento-tungsteno, l'elettrone più esterno risiede in un orbitale sferico, molto simile al più semplice guscio elettronico di un atomo di idrogeno. Quando la luce colpisce questo elettrone, tenta di spingerlo fuori. I ricercatori hanno calcolato che, all'energia specifica in cui il segnale è svanito, l'onda che rappresenta l'elettrone in uscita aveva una parte positiva e una parte negativa che erano perfettamente bilanciate. Mentre l'elettrone cercava di uscire, queste due parti si annullavano a vicenda esattamente, risultando in un movimento netto nullo. È come se l'elettrone stesse cercando di camminare in avanti, ma per ogni passo che faceva in una direzione, una forza uguale e opposta lo tirasse indietro, lasciandolo fermo sul posto. Questo annullamento è una versione estrema del minimo di Cooper, un fenomeno che di solito causa solo un calo del segnale, ma qui ha causato la scomparsa totale del segnale.

Il team non si è basato su una singola osservazione per giungere a questa conclusione. Ha costruito i cluster argento-tungsteno in fase gassosa e ha utilizzato un sofisticato sistema di telecamere per scattare migliaia di foto degli elettroni espulsi. Ha variato il colore della luce laser dalla soglia di energia necessaria per liberare un elettrone fino a livelli molto più alti. Le immagini hanno mostrato un anello chiaro di elettroni in espansione all'aumentare dell'energia, ma poi, in una stretta finestra di energia, l'anello è semplicemente svanito. Per confermare che non si trattasse di un colpo di fortuna, hanno ripetuto l'esperimento con un cluster quasi identico composto da argento e molibdeno invece che da tungsteno. Poiché il molibdeno e il tungsteno sono cugini chimici, il nuovo cluster si è comportato quasi esattamente allo stesso modo, mostrando lo stesso silenzio totale nell'emissione elettronica a un livello di energia quasi identico. Questa ripetizione ha dimostrato che l'effetto era una proprietà fondamentale di queste strutture sferiche, e non un errore nelle apparecchiature o un evento isolato.

I ricercatori hanno anche eseguito simulazioni al computer per modellare il comportamento degli elettroni. Hanno scoperto che la descrizione matematica dell'onda dell'elettrone corrispondeva perfettamente ai dati sperimentali. Le simulazioni hanno mostrato che l'annullamento dell'onda dell'elettrone era dovuto alla forma specifica dell'orbitale che occupava e al modo in cui il cluster era strutturato. Il cluster era così simmetrico, con la forma di un icosaedro perfetto con venti facce triangolari, da costringere l'elettrone a comportarsi in modo molto ordinato, simile a quello atomico. Questa elevata simmetria era cruciale; in strutture meno simmetriche, l'elettrone avrebbe avuto molteplici percorsi per sfuggire, rendendo impossibile che tutti si annullassero contemporaneamente. Creando una sfera quasi perfetta di atomi metallici, gli scienziati hanno creato un ambiente controllato in cui questo delicato annullamento potesse verificarsi.

Questa scoperta cambia il modo in cui vediamo l'interazione tra luce e materia nei piccoli sistemi ingegnerizzati. Dimostra che, scegliendo attentamente il numero di atomi e i tipi di elementi utilizzati, gli scienziati possono sintonizzare le proprietà di un cluster per controllare se esso emetta elettroni o meno. La capacità di accendere e spegnere completamente la fotoemissione, semplicemente regolando l'energia della luce, apre nuove possibilità per studiare la fisica fondamentale degli elettroni. Fornisce una piattaforma pulita per investigare altri effetti sottili, come il tempo necessario a un elettrone per lasciare un atomo o come la luce si comporta quando interagisce con la materia in modi che vanno oltre i modelli semplici. Il lavoro conferma che gli strani annullamenti ondulatori della meccanica quantistica non sono limitati agli atomi più piccoli e semplici, ma possono essere trovati e manipolati nelle complesse strutture create dall'uomo nel mondo del nano.