En rumtidssensor til lys-stof-interaktioner

Fysikere i laboratoriet for Attosecond Physics (drevet i fællesskab af LMU München og Max Planck Institute for Quantum Optics) har udviklet et attosekundel elektronmikroskop, der giver dem mulighed for at visualisere spredningen af ​​lys i tid og rum, og observer elektronernes bevægelser i atomer.

Den mest basale af alle fysiske interaktioner i naturen er mellem lys og stof. Denne interaktion finder sted på samme tid (dvs. milliarder af en milliarddel af et sekund). Hvad der præcist sker på så overraskende kort tid, er indtil videre stort set utilgængeligt. Nu et forskerhold ledet af Dr. Peter Baum og Dr. Yuya Morimoto på Laboratory for Attosecond Physics (LAP), et samarbejde mellem LMU München og Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), har udviklet en ny elektronmikroskopimetode, som gør det muligt at observere denne grundlæggende interaktion i realtid og i virkeligt rum.

For at visualisere fænomener, der forekommer på attosekundskalaen, såsom samspillet mellem lys og atomer, man har brug for en metode, der holder trit med de ultrahurtige processer ved en rumlig opløsning på atomskalaen. For at opfylde disse krav, Baum og Morimoto gør brug af, at elektroner, som elementære partikler, også besidder bølgelignende egenskaber og kan opføre sig som såkaldte bølgepakker. Forskerne retter en elektronstråle mod en tynd, dielektrisk folie, hvor elektronbølgen moduleres ved bestråling med en ortogonalt orienteret laser. Interaktionen med det oscillerende optiske felt accelererer og bremser skiftevis elektronerne, hvilket fører til dannelsen af ​​et tog af attosekundpulser. Disse bølgepakker består af cirka 100 individuelle pulser, som hver varer i cirka 800 attosekunder.

Med henblik på mikroskopi, disse elektronpulstog har en stor fordel i forhold til sekvenser af attosekund optiske pulser:De har en langt kortere bølgelængde. De kan derfor bruges til at observere partikler med dimensioner på mindre end 1 nanometer, såsom atomer. Disse funktioner gør ultrakorte elektronpulstog til et ideelt værktøj til overvågning, i realtid, de ultrahurtige processer, der initieres af lyssvingningenes indvirkning på stof.

I deres første to eksperimentelle test af den nye metode, forskerne i München vendte deres attosekund -pulstog på en siliciumkrystal, og var i stand til at observere, hvordan lyscyklusser forplanter sig, og hvordan elektronbølgepakkerne brydes, diffrakteret og spredt i rum og tid. I fremtiden, dette koncept vil give dem mulighed for direkte at måle, hvordan elektronerne i krystallen opfører sig som reaktion på lysets cykler, den primære effekt af enhver lys-stof-interaktion. Med andre ord, proceduren opnår subatomær og sub-lys-cyklus opløsning, og fysikerne på LAP kan nu overvåge disse grundlæggende interaktioner i realtid.

Deres næste mål er at generere enkelt attosekund elektronbølge pakker, for at følge hvad der sker under subatomære interaktioner med endnu højere præcision. Den nye metode kunne finde anvendelse i udviklingen af ​​metamaterialer. Metamaterialer er kunstige, dvs. konstruerede nanostrukturer, hvis elektriske permittivitet og magnetiske permeabilitet afviger væsentligt fra konventionelle materialers. Dette giver igen anledning til unikke optiske fænomener, som åbner op for nye perspektiver inden for optik og optoelektronik. Ja, metamaterialer kan meget vel tjene som grundkomponenter i fremtidige lysdrevne computere.