Højenergielektroner synkroniseret til ultrahurtig laserpuls for at undersøge, hvordan atomers vibrationstilstande ændrer sig over tid

En ny ultrahurtig teknik, ved hjælp af højenergielektroner koblet til en laserpumpe, afslørede indsigt i atomær vibrationsdynamik i en laseropvarmet guld tynd film. Denne teknik målte direkte fononspektret (kvantiserede energipakker relateret til atomgittervibrationer) og undersøgte energioverførslen fra laserexciterede elektroner til atomvibrationer i atomgitteret. Dette arbejde viser, at specialiserede ultrahurtige elektrondiffraktionsinstrumenter kan føje til rækken af ​​tidsopløste laserpumpe-/sondeteknikker, der er i stand til at udforske excitationer i materialer.

Ultrahurtig excitation og energioverførsel på atomær skala er vigtig i faseovergange, kemiske reaktioner, og makroskopisk energiflow. Relevante vibrationstidsrammer forekommer i femtosekunder (flyt decimaltegnet i 1,0 sekund 15 gange til venstre). Denne forskning etablerede anvendeligheden af ​​denne teknik til at løse skiftende vibrationstilstande, hvis forståelse kunne fremme en række anvendelser fra superledning til laser-inducerede faseovergange.

Samspillet mellem elektroner og de atomer, de befinder sig i, er vigtige for en række fænomener, fra fundamental elektron- og spintransport, til laserinducerede faseovergange. De fleste eksperimentelle teknikker er begrænset i deres evne til at undersøge atomare vibrationer (fononer), fordi som et termometer, de gennemsnit over alle vibrationstilstande i materialet. Nu har forskning ledet af SLAC National Accelerator Laboratory direkte målt det fulde frekvensområde og den tidsafhængige adfærd af fononer i en laseropvarmet guld tynd film. I forsøgsopstillingen, højenergielektroner blev udsendt fra en elektrode af en ultrahurtig laserimpuls. Begge pulser, elektroner og lys, fortsatte til prøven. Laserpulsen ankom først og exciterede de hjemmehørende elektroner i guldmaterialet, som derefter blev sonderet ved at sprede den efterfølgende elektronimpuls ind i en detektor. Pumpe/sonde teknikken, involverer den nyudviklede ultrahurtige elektrondiffraktionskilde, målte atomernes positioner som funktion af den kontrollerede og variable tid mellem pumpe og sonde.

Analyse af de atomare vibrationer hjælper med at bestemme, hvordan lysenergi, først absorberet af elektronerne omkring atomer, til sidst overføres til selve atomernes bevægelse. Analysen viste varierende koblingstider mellem elektron- og fonon-excitationerne. Resultaterne bekræftede, at energi overføres hurtigere til højere frekvens vibrationer end til fononer ved lavere frekvenser. Dette nye værktøj kan bruges til at forstå energitransport i dens korteste længde- og tidsskala og dermed fremme forståelsen af ​​materialefænomener, hvor termisk energi er kritisk vigtig, såsom i superledende og termoelektriske enheder.