El retorno al equilibro térmico de electrones fotoexcitados en grafito observado con trARPES

“Una de las cámaras más rápidas del mundo filma el movimiento de los electrones” en grafito. Así se titula una nota de prensa sobre el artículo científico titulado “formación ultrarrápida de un gas de electrones distribuido con estadística de Fermi–Dirac”. ¿Cuál es la imagen de un electrón filmada por la cámara? ¿Cómo se ha observado su trayectoria en movimiento? ¿Por qué un servicio de noticias científicas usa un titular que lleva a malentendidos entre los lectores?

La entradilla de la nota de prensa es un poco más clara (aunque su contraste con el titular generará más confusión entre los lectores legos). “Se ha logrado observar el intercambio de energía de los electrones con su entorno en tiempo real, diferenciando sus fases individuales. En el experimento, se ha irradiado grafito con un intenso pulso de luz ultracorto y se ha filmado su impacto sobre el comportamiento de los electrones”. En realidad se ha usado la técnica trARPES (Time- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy) con pulsos ópticos de 7 fs (femtosegundos) para estudiar la interacción de un pulso óptico con los electrones en grafito pirolítico altamente orientado (HOPG). Se han observado tres fases en el proceso de calentamiento y posterior enfriamiento de los electrones fotoexcitados. Un trabajo muy interesante, pero muy alejado de lo que sugiere el titular de la noticia.

El artículo es G. Rohde, A. Stange, …, M. Bauer, “Ultrafast Formation of a Fermi-Dirac Distributed Electron Gas,” Phys. Rev. Lett. 121: 256401 (19 Dec 2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.121.256401arXiv:1804.01403 [cond-mat.mtrl-sci]; se usa la técnica trARPES descrita en G. Rohde, A. Hendel, …, M. Bauer, “Time-resolved ARPES with sub-15 fs temporal and near Fourier-limited spectral resolution,” Review of Scientific Instruments 87: 103102 (2016), doi: 10.1063/1.4963668. Recomiendo leer Nicolas Doiron-Leyraud, “Fresh Light on Nonthermal Electrons,” APS Physics, 19 Dec 2018, en lugar de Kiel University, “One of the world’s fastest cameras films motion of electrons,” Science Daily, 20 Dec 2018.

Esta entrada complementa la contestación que he dado a una pregunta en Twitter de Kike Andrés del Río‏ @KikeProfesor00. “El problema con estas notas de prensa es que intentan usar un lenguaje vulgar para evitar términos técnicos y acaban siendo malinterpretadas por los lectores. No se ha usado una «cámara», ni se han observado «electrones». Estas notas de prensa confunden [a los legos]. Un avance en la resolución temporal de la técnica ARPES, ¿merece ser divulgado sin explicar qué es esta técnica? Los profesores pueden aprovechar estas ocasiones para dar buenas explicaciones. [Hay que] recordar [que] en Física del Estado Sólido un «electrón» (como un «fonón») es una cuasipartícula. La técnica ARPES estudia cuasipartículas de tipo “electrón” en el espacio de momentos. Imaginar el «movimiento de electrones» a partir de los resultados de ARPES exige mucha imaginación”.

Cuando un fotón incide sobre un átomo excita un electrón que pasa a un nivel energético más elevado, del que decae más tarde emitiendo otro fotón. Cuando un pulso óptico incide sobre un sólido excita una cuasipartícula de tipo electrón que pasa de la banda de valencia a la de conducción, desde la que decae más tarde emitiendo otro pulso óptico. En este trabajo el pulso de bombeo de 7 fs tiene una longitud de onda centrada en 800 nm y una anchura espectral RMS de 232 nm con una intensidad de 0.9 mJ/cm² (o de 1.7 mJ/cm²), es decir, contiene unos miles de billones de fotones por centímetro cuadrado. Todos estos fotones inciden sobre los electrones del grafito, que se excitan y se calientan, para enfriarse más tarde decayendo al estado original.

En el estado inicial los electrones en el grafito HOPG se encuentran distribuidos en un estado térmico siguiendo la estadística de Fermi–Dirac a temperatura ambiente (unos 300 K). Tras la incidencia del pulso óptico, la excitación de los electrones aumenta su temperatura hasta unos 5500 K; debido a la interacción electrón-electrón el estado no es térmico y se aleja mucho de la distribución de Fermi–Dirac. Más tarde, los electrones se enfrían por fotoemisión de un pulso óptico y por interacción con los fonones ópticos fuertemente acoplados (SCOP) en el grafito.

El proceso de calentamiento y posterior enfriamiento tras la incidencia del pulso (fase I) ocurre en tres fases (II, III y IV en la figuras); las temperaturas efectivas estimadas son de 3400 K a ∆t = 8 fs, de 5500 K a ∆t =  22 fs y a ∆t = 36 fs, y de 5200 K a ∆t = 78 fs. Como ya he indicado, lo más interesante es que durante las fases II y III la distribución de energía de los electrones se aleja bastante de la estadística de Fermi–Dirac, es decir, se encuentran fuera del equilibrio térmico. Durante la fase IV se produce el retorno al equilibrio térmico.

En resumen, en la escala de los femtosegundos se ha observado el retorno a un estado térmico para electrones fotoexcitados en grafito que pasan por un transitorio fuera del equilibrio térmico. Este proceso involucra fotones, electrones y fonones en acoplamiento fuerte. Su comprensión detallada ayudará a entender la interacción entre pulsos ópticos y electrones en materiales, con potenciales aplicaciones en fotónica, electrónica y fonónica.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 28 diciembre, 2018
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science • Termodinámica
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