Ny bordpladeteknik sonderer de yderste elektroner af atomer dybt inde i faste stoffer

Det kan være uklogt at dømme en bog ud fra dens omslag, men man kan fortælle meget om et materiale fra de yderste elektroner i dets atomer.

"Disse yderste elektroner, kendt som valenselektroner, er de vigtigste aktører i dannelsen af ​​kemiske bindinger og definerer faktisk næsten enhver egenskab ved et fast stof – elektrisk, termisk, ledende, " sagde Shambhu Ghimire, en associeret stabsforsker ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory.

Nu har Ghimire og to kolleger ved Stanford PULSE Institute opfundet en ny måde at undersøge valenselektronerne i atomer dybt inde i et krystallinsk fast stof.

I en rapport i dag i Naturfysik , de beskriver brugen af ​​laserlys til at excitere nogle af valenselektronerne, styr dem rundt inde i krystallen og preller dem fra andre atomer. Dette producerer højenergiudbrud af lys, der er usynlige for vores øjne, men bærer ledetråde til materialets atomare struktur og funktion.

"Dette vil ændre verden af ​​billeddannelse af indersiden af ​​krystallinske faste stoffer, " sagde Ghimire, "meget som scanning tunneling mikroskopi, eller STM, ændret billeddannelsen af ​​overflader på atomare skala."

En ny måde at se på atomer i faste stoffer

Opfundet i begyndelsen af ​​1980'erne, STM var en revolutionerende metode, der gjorde det muligt for videnskabsmænd at lave de første billeder af individuelle atomer og deres bindinger. Det blev hædret med Nobelprisen i fysik i 1986.

Men STM fornemmer valenselektroner fra kun de to eller tre øverste lag af atomer i et materiale. En strøm af disse elektroner ind i instrumentets spids skaber en strøm, der gør det muligt for det at måle afstanden mellem spidsen og overfladen, spore bumpene, hvor atomer stikker op, og dalene mellem dem. Dette skaber et billede af atomerne og giver information om de bindinger, der holder dem sammen.

Nu vil den nye teknik give videnskabsmænd det samme niveau af adgang til valenselektronerne dybt inde i det faste stof.

Eksperimenterne, udført i et SLAC laserlaboratorium af PULSE postdoc-forsker Yong Sing You, involverede krystaller af magnesiumoxid eller magnesiumoxid, et almindeligt mineral, der bruges til at lave cement, bevare bibliotekets bøger og rense forurenet jord, blandt en lang række andre ting.

Disse krystaller har også evnen til at flytte indkommende laserlys til meget kortere bølgelængder og højere energier - ligesom ved at trykke ned på en guitarstreng producerer en højere tone - gennem en proces kaldet høj harmonisk generering, eller HHG.

Styreelektroner til at generere lys

I dette tilfælde, forskerne justerede omhyggeligt den indkommende infrarøde laserstråle, så den ville excitere valenselektroner i krystallens oxygenatomer. Disse elektroner svingede, som vibrerende guitarstrenge, og genererede lys med meget kortere bølgelængder – i det ekstreme ultraviolette område – gennem HHG.

Men da de justerede polariseringen af ​​laserstrålen for at styre de exciterede elektroner langs forskellige baner i krystallen, de opdagede, at HHG kun fandt sted, når en elektron ramte et naboatom, og var mest effektiv, da den ramte atomets dødpunkt. Yderligere, bølgelængden af ​​det harmonisk genererede lys, der kom ud - som var 13 til 21 gange kortere end lyset, der gik ind - afslørede tætheden af ​​naboatomets valenselektroner, atomets størrelse og endda om det var et ilt- eller magnesiumatom.

"Det er svært at finde ud af valenselektronerne med nuværende metoder til at måle elektronladningstæthed, som typisk bruger røntgen- eller elektrondiffraktion, " sagde undersøgelsens medforfatter David Reis, en lektor ved SLAC og Stanford og vicedirektør for PULSE. "Så det er en vigtig milepæl at demonstrere, at vi kan gøre det med følsomhed i atomskala i et bordlasereksperiment."

Alan Fry, divisionsdirektør for laservidenskab og teknologi hos SLACs Linac Coherent Light Source X-ray laser, var ikke involveret i eksperimentet, men tilbød ros "til holdet, der udviklede denne teknik, og som fortsætter med at lave spændende og interessant forskning med den."

Selvom denne tilgang kan være begrænset til materialer, der kan generere lys gennem HHG, han sagde, "det kan stadig fortælle dig meget om den elektroniske struktur inde i disse faste stoffer, og i princippet kunne give os en bedre forståelse af andre materialer, der ikke har samme respons. At forstå simple systemer som dette bygger et grundlag for at forstå mere komplekse systemer."