Ny laserteknik afbilder kvanteverdenen på en billiontedel af et sekund

For første gang, forskere har været i stand til at registrere, ramme-for-ramme, hvordan en elektron interagerer med visse atomare vibrationer i et fast stof. Teknikken fanger en proces, der almindeligvis forårsager elektrisk modstand i materialer, mens i andre, kan forårsage det stik modsatte - fraværet af modstand, eller superledning.

"Måden elektroner interagerer med hinanden og deres mikroskopiske miljø bestemmer egenskaberne af alle faste stoffer, " sagde MengXing Na, en University of British Columbia (UBC) Ph.D. studerende og medforfatter af undersøgelsen, udgivet i sidste uge i Videnskab . "Når vi identificerer de dominerende mikroskopiske interaktioner, der definerer et materiales egenskaber, vi kan finde måder at 'skru op' eller 'ned' på interaktionen for at fremkalde nyttige elektroniske egenskaber."

Styring af disse interaktioner er vigtig for den teknologiske udnyttelse af kvantematerialer, inklusive superledere, som bruges i MR-maskiner, højhastigheds magnetiske levitationstog, og kunne en dag revolutionere, hvordan energi transporteres.

I små skalaer, atomer i alle faste stoffer vibrerer konstant. Kollisioner mellem en elektron og et atom kan ses som en 'spredning' hændelse mellem elektronen og vibrationen, kaldet en fonon. Spredningen kan få elektronen til at ændre både retning og energi. Sådanne elektron-fonon-interaktioner ligger i hjertet af mange eksotiske faser af stof, hvor materialer udviser unikke egenskaber.

Med støtte fra Gordon og Betty Moore Foundation, teamet ved UBC's Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI) udviklede en ny ekstrem-ultraviolet laserkilde for at muliggøre en teknik kaldet tidsopløst fotoemissionsspektroskopi til visualisering af elektronspredningsprocesser på ultrahurtige tidsskalaer.

"Ved at bruge en ultrakort laserpuls, vi exciterede individuelle elektroner væk fra deres sædvanlige ligevægtsmiljø, " sagde Na. "Ved at bruge en anden laserpuls som en effektiv kameraudløser, vi fangede, hvordan elektronerne spredes med omgivende atomer på tidsskalaer hurtigere end en billiontedel af et sekund. På grund af den meget høje følsomhed af vores opsætning, vi var i stand til at måle direkte - for første gang - hvordan de exciterede elektroner interagerer med en specifik atomvibration, eller fonon."

Forskerne udførte eksperimentet på grafit, en krystallinsk form af kulstof og moderforbindelsen til kulstofnanorør, Bucky balls og grafen. Kulstofbaseret elektronik er en voksende industri, og de spredningsprocesser, der bidrager til elektrisk modstand, kan begrænse deres anvendelse i nanoelektronik.

Tilgangen udnytter en unik laserfacilitet udtænkt af David Jones og Andrea Damascelli, og udviklet af co-lead forfatter Arthur Mills, på UBC-Moore Center for Ultrafast Quantum Matter. Undersøgelsen blev også understøttet af teoretiske samarbejder med grupperne Thomas Devereaux ved Stanford University og Alexander Kemper ved North Carolina State University.

"Takket være de seneste fremskridt inden for pulserende laserkilder, vi er kun lige begyndt at visualisere de dynamiske egenskaber af kvantematerialer, " sagde Jones, en professor med UBC's SBQMI og afdeling for Fysik og Astronomi.

"Ved at anvende disse banebrydende teknikker, vi er nu klar til at afsløre det undvigende mysterium om højtemperatur-superledning og mange andre fascinerende fænomener af kvantestof, " sagde Damascelli, videnskabelig direktør for SBQMI.