Ser elektroner ved hjælp af ekstremt ultraviolet lys

En ny teknik udviklet af et team på MIT kan kortlægge den komplette elektroniske båndstruktur af materialer i høj opløsning. Denne kapacitet er normalt eksklusiv for store synkrotronfaciliteter, men nu er den tilgængelig som et laserbaseret setup på en bordplade på MIT. Denne teknik, som bruger ekstreme ultraviolette (XUV) laserpulser til at måle elektronernes dynamik via vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES), kaldes tidsopløste XUV ARPES.

I modsætning til den synkrotronbaserede opsætning, denne laserbaserede opsætning giver yderligere en tidsopløst funktion til at se elektronerne inde i et materiale på en meget hurtig, femtosekund (kvadrilliondel af et sekund) tidsskala. Sammenligning af denne hurtige teknik på en tids- og afstandsskala, mens lys kan rejse fra månen til jorden på omtrent et sekund, den kan kun rejse så langt som tykkelsen af ​​et enkelt ark almindeligt kopipapir på et femtosekund.

MIT -teamet evaluerede deres instrumentopløsning ved hjælp af fire eksemplariske materialer, der repræsenterer et bredt spektrum af kvantematerialer:et topologisk Weyl -halvmetal, en superleder med høj kritisk temperatur, en lagdelt halvleder, og et ladningstæthedsbølgesystem.

Teknikken er beskrevet i et papir i tidsskriftet Naturkommunikation , forfattet af MIT -fysikerne Edbert Jarvis Sie Ph.D. '17, tidligere postdoc Timm Rohwer, Changmin Lee Ph.D. '18, og MIT -fysik Professor Nuh Gedik.

Et centralt mål for moderne kondenseret fysik er at opdage nye faser af stof og udøve kontrol over deres iboende kvanteegenskaber. Sådanne adfærd er forankret i den måde, hvorpå elektronernes energi ændres som en funktion af deres momentum i forskellige materialer. Dette forhold er kendt som materialets elektroniske båndstruktur og kan måles ved hjælp af fotoemissionsspektroskopi. Denne teknik bruger lys med høj fotonenergi til at banke elektronerne væk fra materialeoverfladen - en proces, der tidligere var kendt som den fotoelektriske effekt, hvortil Albert Einstein modtog Nobelprisen i fysik i 1921. Hastigheden og retningen af ​​de udgående elektroner kan måles vinkelopløst for at bestemme energi- og momentumforholdet inde i materialet.

Den kollektive interaktion mellem elektroner i disse materialer går ofte ud over lærebogsforudsigelser. En metode til at studere sådanne ikke-konventionelle interaktioner er ved at promovere elektronerne til højere energiniveauer og se, hvordan de slapper tilbage til jordtilstanden. Dette kaldes en "pump-and-probe" -metode, hvilket grundlæggende er den samme metode, folk bruger i deres hverdag til at opfatte nye objekter omkring dem. For eksempel, enhver kan tabe en sten på overfladen af ​​vandet og se, hvordan krusningerne henfalder for at observere vandspænding og akustik. Forskellen i MIT -opsætningen er, at forskerne bruger infrarøde lyspulser til at "pumpe" elektronerne til den ophidsede tilstand og XUV -lyspulserne til at "sondere" de fotoemitterede elektroner efter en tidsforsinkelse.

Tids- og vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (TRARPES) optager film af det elektroniske bånds struktur af det faste stof med femtosekunders tidsopløsning. Denne teknik giver uvurderlig indsigt i elektrondynamikken, hvilket er afgørende for at forstå materialernes egenskaber. Imidlertid, det har været svært at få adgang til elektroner med høj momenta med smal energiopløsning via laserbaserede ARPES, stærkt begrænser den type fænomener, der kan studeres med denne teknik.

Den nyudviklede XUV trARPES -opsætning på MIT, som er cirka 10 fod lang, kan generere en femtosekund ekstrem ultraviolet lyskilde ved høj energiopløsning. "XUV vil hurtigt blive absorberet af luft, så vi huser optikken i vakuum, "Sie siger." Hver komponent fra lyskilden til prøvekammeret projiceres på computeren med en millimeter præcision. "Denne teknik giver fuld adgang til den elektroniske båndstruktur af alle materialer med en hidtil uset snæver energiopløsning på femtosekunders tidsskalaer." For at demonstrere opløsningen af ​​vores setup, det er ikke tilstrækkeligt at måle opløsningen af ​​lyskilden alene, "Sie siger." Vi skal verificere de sande opløsninger fra ægte fotoemissionsmålinger ved hjælp af en lang række materialer - resultaterne er meget tilfredsstillende! "

Den sidste samling af MIT -opsætningen omfatter flere nye instrumenter, der udvikles samtidigt i industrien:femtosekund XUV -lyskilde (XUUS) fra KMLabs, XUV monochromator (OP-XCT) fra McPherson, og vinkelopløst time-of-flight (ARToF) elektronanalysator fra Scienta Omicron. "Vi mener, at denne teknik har potentiale til at skubbe grænsen for kondenseret fysik, "Gedik siger, "så vi arbejdede med relevante virksomheder for at opnå denne spydspids."

MIT -opsætningen kan nøjagtigt måle elektronernes energi med høje momenta. "Kombinationen af ​​time-of-flight elektronanalysator og XUV femtosekund lyskilde giver os mulighed for at måle den komplette båndstruktur af næsten alle materialer, "Rohwer siger, "I modsætning til nogle andre opsætninger, vi behøver ikke gentagne gange at vippe prøven for at kortlægge båndstrukturen - og det sparer os for meget tid! "

Et andet vigtigt fremskridt er evnen til at ændre fotonenergien. "Fotoemissionsintensiteten varierer ofte betydeligt med fotononenergien, der blev brugt i forsøget. Dette skyldes, at fotoemissionstværsnittet afhænger af orbitalkarakteren af ​​de elementer, der danner det faste stof, "Siger Lee." Fotonenergiindstillingen, som vores setup giver, er yderst nyttig til at øge antallet af fotosemissioner for bestemte bånd, som vi er interesserede i. "

Stanford Institute for Materials and Energy Science Staff Scientist Patrick S. Kirchmann, en ekspert i ARPES teknikker, siger, "Som praktiserende læge mener jeg, at TRARPES er yderst nyttig. Ethvert kvantemateriale, topologisk isolator, eller supraledningsspørgsmål profit på at forstå båndstrukturen i ikke-ligevægt. Grundtanken med TRARPES er enkel:Ved at registrere emissionsvinklen og energien for fotoemitterede elektroner, vi kan optage den elektroniske båndstruktur. Udført efter at have prøvet spændingen med lys, vi kan optage ændringer i bandstrukturen, der giver os elektronfilm, "som er filmet med billedhastigheder af deres naturlige femtosekund tidsskala."

Kommenterer Gedik -forskningsgruppens nye fund ved MIT, Kirchmann siger, "Sie og Gediks arbejde sætter en ny standard ved at opnå 30 meV [milli-elektron-volt] båndbredde og samtidig opretholde 200 femtosekunders tidsopløsning. Ved at inkorporere udskiftelige gitre i deres opsætning, det vil også være muligt at ændre denne opdeling af tidsbåndbredde-produktet. Disse resultater vil muliggøre længe nødvendige high-definition undersøgelser af kvantematerialer med høj nok energiopløsning til at give dyb indsigt. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.