Uno studio pubblicato su Science Advances, al quale hanno partecipato ricercatori del CNR-Istituto Officina dei Materiali, mostra come seguire la riorganizzazione della struttura elettronica della grafite dopo l’interazione con la luce, distinguendo la risposta iniziale degli elettroni dagli effetti successivi delle vibrazioni degli atomi.
Cosa accade all’interno di un materiale subito dopo che viene colpito dalla luce? Gli elettroni reagiscono su scale temporali estremamente brevi e le loro interazioni possono modificare la struttura elettronica del materiale. Successivamente, l’energia assorbita viene trasferita anche alle vibrazioni degli atomi che compongono il reticolo cristallino.
Un nuovo studio pubblicato su Science Advances, frutto di una collaborazione internazionale guidata da Elettra Sincrotrone Trieste e che coinvolge il CNR-Istituto Officina dei Materiali (CNR-IOM), mostra come osservare questi cambiamenti mentre avvengono. Il gruppo di ricerca ha studiato la grafite utilizzando la RIXS risolta nel tempo (time-resolved Resonant Inelastic X-ray Scattering), una tecnica spettroscopica basata sui raggi X che permette di ottenere informazioni sulla struttura elettronica dei materiali.
Seguire i cambiamenti in pochi femtosecondi
Le misure sono state condotte alla linea di luce MagneDyn di FERMI, il laser a elettroni liberi di Elettra Sincrotrone Trieste. Un primo impulso luminoso ha portato la grafite fuori dall’equilibrio; un successivo impulso di raggi X, opportunamente ritardato, ha permesso di osservare come cambiava la sua struttura elettronica.
L’esperimento ha rivelato una redistribuzione degli stati elettronici che si sviluppa nell’arco di circa 70 femtosecondi. Un femtosecondo corrisponde a un milionesimo di miliardesimo di secondo: una scala temporale che consente di seguire i processi che precedono la risposta più lenta degli atomi.
Combinando le misure sperimentali con calcoli teorici ab initio, il gruppo di ricerca ha distinto due fasi dell’evoluzione del materiale. Nei primi istanti, il cambiamento della struttura elettronica è dovuto principalmente alle interazioni tra gli elettroni e alla modifica temporanea del loro schermaggio reciproco. Su tempi successivi entrano in gioco specifiche vibrazioni del reticolo cristallino, che contribuiscono a modificare ulteriormente le energie degli stati elettronici.
Una nuova possibilità per lo studio dei materiali
Il risultato riguarda anche le capacità della tecnica utilizzata. La RIXS risolta nel tempo permette di osservare la riorganizzazione della struttura elettronica distinguendo stati con diverso carattere orbitale e differenti regioni dello spazio dei momenti. In questo modo, i ricercatori possono seguire non soltanto come l’energia si distribuisce nel materiale dopo l’eccitazione, ma anche come cambia la struttura delle bande elettroniche durante il processo.
L’approccio offre nuove possibilità per lo studio dei materiali quantistici e dei fenomeni fuori dall’equilibrio, nei quali le interazioni tra elettroni e vibrazioni del reticolo possono influenzare le proprietà del materiale su scale temporali ultraveloci.
Lo studio è stato realizzato da un gruppo di ricerca internazionale che coinvolge Elettra Sincrotrone Trieste, CNR-IOM, CNR-Istituto di Struttura della Materia (CNR-ISM), Università di Trieste, Institute of Physics di Zagabria e Humboldt-Universität zu Berlin. Per CNR-IOM hanno partecipato Marco Malvestuto e Marco Zangrando, entrambi affiliati anche a Elettra Sincrotrone Trieste.
Pubblicazione: Ultrafast RIXS of orbital-resolved valence-band reshaping in photoexcited graphite, Science Advances (2026).