Fysikere måler, hvordan elektroner i overgangsmetaller bliver omfordelt inden for en brøkdel af den optiske oscillationscyklus

Forskere ved Institut for Fysik ved ETH Zürich har målt, hvordan elektroner i såkaldte overgangsmetaller bliver omfordelt inden for en brøkdel af en optisk oscillationscyklus. De observerede, at elektronerne blev koncentreret omkring metalatomerne inden for mindre end et femtosekund. Denne omgruppering kan påvirke vigtige makroskopiske egenskaber af disse forbindelser, såsom elektrisk ledningsevne, magnetisering eller optiske egenskaber. Arbejdet foreslår derfor en vej til at kontrollere disse egenskaber på ekstremt hurtige tidsskalaer.

Fordelingen af ​​elektroner i overgangsmetaller, som repræsenterer en stor del af det periodiske system af kemiske grundstoffer, er ansvarlig for mange af deres interessante egenskaber, der bruges i applikationer. De magnetiske egenskaber af nogle af medlemmerne af denne gruppe af materialer er, for eksempel, udnyttes til datalagring, hvorimod andre udviser fremragende elektrisk ledningsevne. Overgangsmetaller har også en afgørende rolle for nye materialer med mere eksotisk adfærd, der skyldes stærke interaktioner mellem elektronerne. Sådanne materialer er lovende kandidater til en bred vifte af fremtidige anvendelser.

I deres eksperiment, hvis resultater de rapporterer i et papir offentliggjort i dag i Naturfysik , Mikhail Volkov og kolleger i den ultrahurtige laserfysikgruppe af prof. Ursula Keller udsatte tynde folier af overgangsmetallerne titanium og zirconium for korte laserimpulser. De observerede omfordelingen af ​​elektronerne ved at registrere de resulterende ændringer i metallernes optiske egenskaber i det ekstreme ultraviolette (XUV) domæne. For at kunne følge de inducerede ændringer med tilstrækkelig tidsmæssig opløsning, XUV-impulser med en varighed på kun få hundrede attosekunder (10 ^-18 s) blev anvendt i målingen. Ved at sammenligne de eksperimentelle resultater med teoretiske modeller, udviklet af gruppen af ​​prof. Angel Rubio ved Max Planck Instituttet for materiens struktur og dynamik i Hamborg, forskerne konstaterede, at ændringen udfoldede sig på mindre end et femtosekund (10 ^-15 s) skyldes en modifikation af elektronlokaliseringen i nærheden af ​​metalatomerne. Teorien forudsiger også, at i overgangsmetaller med stærkere fyldte ydre elektronskaller en modsat bevægelse - dvs. en delokalisering af elektronerne - må forventes.

Ultrahurtig kontrol af materialeegenskaber

Elektronfordelingen definerer de mikroskopiske elektriske felter inde i et materiale, som ikke kun holder sammen på et fast stof, men også i høj grad bestemmer dets makroskopiske egenskaber. Ved at ændre fordelingen af ​​elektroner, man kan således også styre et materiales egenskaber. Eksperimentet af Volkov et al. viser, at dette er muligt på tidsskalaer, der er betydeligt kortere end oscillationscyklussen af ​​synligt lys (omkring to femtosekunder). Endnu vigtigere er opdagelsen af, at tidsskalaerne er meget kortere end den såkaldte termaliseringstid, som er den tid, inden for hvilken elektronerne ville udvaske virkningerne af en ekstern kontrol af elektronfordelingen gennem kollisioner mellem dem selv og med krystalgitteret.

Indledende overraskelse

I første omgang, det kom som en overraskelse, at laserimpulsen ville føre til en øget elektronlokalisering i titanium og zirconium. En generel tendens i naturen er, at hvis bundne elektroner forsynes med mere energi, de vil blive mindre lokaliserede. Den teoretiske analyse, som understøtter de eksperimentelle observationer, viste, at den øgede lokalisering af elektrontætheden er en nettoeffekt som følge af den stærkere fyldning af de karakteristiske delvist fyldte d-orbitaler af overgangsmetalatomerne. For overgangsmetaller, der har d-orbitaler, som allerede er mere end halvt fyldte (dvs. elementer mere mod højre i det periodiske system), nettoeffekten er den modsatte og svarer til en delokalisering af den elektroniske tæthed.

Mod hurtigere elektroniske komponenter

Mens det nu rapporterede resultat er af fundamental karakter, eksperimenterne viser muligheden for en meget hurtig modifikation af materialeegenskaber. Sådanne modulationer bruges i elektronik og optoelektronik til behandling af elektroniske signaler eller transmission af data. Mens de nuværende komponenter behandler signalstrømme med frekvenser i gigahertz (10 ⁹ Hz) rækkevidde, resultaterne af Volkov og kolleger indikerer muligheden for signalbehandling ved petahertz-frekvenser (10 ¹⁵ Hz). Disse ret fundamentale fund kan derfor være med til at danne grundlag for udviklingen af ​​de næste generationer af stadigt hurtigere komponenter, og herigennem indirekte finde vej ind i vores dagligdag.