Et af verdens hurtigste kameraer fanger elektroners bevægelse

Under omdannelsen af ​​lys til elektricitet, som i solceller, en stor del af den indgående lysenergi går tabt. Dette skyldes opførsel af elektroner inde i materialer. Hvis lyset rammer et materiale, det stimulerer elektroner energisk i en brøkdel af et sekund, før de sender energien tilbage til miljøet. På grund af deres ekstremt korte varighed på nogle få femtosekunder - et femtosekund er en kvadrilliontedel af et sekund - er disse processer næppe blevet udforsket til dato. Et team fra Institute of Experimental and Applied Physics ved Kiel University (CAU), under ledelse af professor Michael Bauer og professor Kai Roßnagel, har nu haft held med at undersøge elektronernes energiudveksling med deres omgivelser i realtid, og derved adskille de enkelte faser. I deres eksperiment, de bestrålede grafit med en intens, ultrakort lyspuls og filmede virkningen på elektroners adfærd. En omfattende forståelse af de grundlæggende processer involveret kan være vigtig i fremtiden for anvendelser i ultrahurtige optoelektroniske komponenter. Forskergruppen har offentliggjort disse fund i den aktuelle udgave af tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Egenskaberne af et materiale afhænger af opførselen af ​​dets konstituerende elektroner og atomer. En grundlæggende model til at beskrive elektronernes adfærd er konceptet med den såkaldte Fermi-gas, opkaldt efter Nobelprisvinderen Enrico Fermi. I denne model, elektronerne i materialet anses for at være et gasformigt system. På denne måde, det er muligt at beskrive deres interaktioner med hinanden. For at følge elektroners adfærd på grundlag af denne beskrivelse i realtid, forskerholdet i Kiel udviklede et eksperiment til undersøgelser med ekstrem tidsopløsning:hvis en materialeprøve bestråles med en ultrahurtig lyspuls, elektronerne stimuleres i en kort periode. Et sekund, forsinket lyspuls frigiver nogle af disse elektroner fra det faste stof. En detaljeret analyse af disse gør det muligt at drage konklusioner vedrørende materialets elektroniske egenskaber efter den første stimulering med lys. Et særligt kamera filmer, hvordan lysenergien, der indføres, fordeles gennem elektronsystemet.

Udviklet i Kiel:et af verdens hurtigste systemer

Det særlige ved Kiel -systemet er dets ekstremt høje tidsopløsning på 13 femtosekunder. Dette gør det til et af de hurtigste elektronkameraer i verden. "Takket være den ekstremt korte varighed af de anvendte lyspulser, vi er i stand til at filme ultrahurtige processer live. Vores undersøgelser har vist, at der sker overraskende mange ting her, " forklarede Michael Bauer, professor i ultrahurtig dynamik ved CAU. Han udviklede systemet, sammen med Kai Roßnagels arbejdsgruppe, professor i solid state -forskning med synkrotronstråling.

I deres nuværende eksperiment, forskergruppen bestrålede en grafitprøve med en kort, intens lyspuls med kun syv femtosekunders varighed. Grafit er kendetegnet ved en simpel elektronisk struktur. Dermed, grundlæggende processer kan observeres særlig tydeligt. I forsøget, de indvirkende lyspartikler - også kaldet fotoner - forstyrrede elektronernes termiske ligevægt. Denne ligevægt beskriver en tilstand, hvor der hersker en præcist definerbar temperatur blandt elektronerne. Kiel-forskerholdet filmede derefter elektronernes adfærd, indtil en balance blev genoprettet efter ca. 50 femtosekunder.

Talrige interaktioner inden for en ekstremt kort periode

Derved, forskerne observerede adskillige interaktionsprocesser af exciterede elektroner med de påvirkende fotoner, samt atomer og andre elektroner i materialet. På baggrund af filmoptagelserne, de kunne endda skelne forskellige faser inden for denne ultrakorte periode:først og fremmest, de bestrålede elektroner absorberede fotonenes lysenergi i grafitten, og derved omdannet det til elektrisk energi. Så blev energien fordelt til andre elektroner, før de gav det videre til de omkringliggende atomer. I denne sidste proces, den elektriske energi omdannes i sidste ende permanent til varme; grafitten varmer op.

Forskerholdet fra Kiel bekræfter også teoretiske forudsigelser for første gang. De muliggør et nyt perspektiv på et forskningsemne, som næppe er blevet undersøgt på denne korte tidsskala. "Gennem vores nye tekniske muligheder, disse grundlæggende, komplekse processer kan observeres direkte for første gang, "sagde Bauer. Denne fremgangsmåde kan også anvendes i fremtiden for at undersøge og optimere ultrahurtige bevægelser af lys-agiterede elektroner i materialer med lovende optiske egenskaber.