Laser tager billeder af elektroner i krystaller

Mikroskoper af synligt lys gør det muligt for videnskabsmænd at se små genstande som levende celler. Endnu, de kan ikke se, hvordan elektroner fordeles mellem atomer i faste stoffer. Nu, forskere med prof. Eleftherios Goulielmakis fra Extreme Photonics Labs ved University of Rostock og Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching, Tyskland, sammen med kolleger fra Institut for Fysik ved Det Kinesiske Videnskabsakademi i Beijing, har udviklet en ny type lysmikroskop, kaldet pikoskopet, der overvinder denne begrænsning.

Forskerne brugte kraftige laserglimt til at bestråle tynde film af krystallinske materialer. Disse laserimpulser drev krystalelektroner til en hurtig slingrende bevægelse. Da elektronerne hoppede af de omgivende elektroner, de udsendte stråling i den ekstreme ultraviolette del af spektret. Ved at analysere egenskaberne af denne stråling, forskerne komponerede billeder, der illustrerer, hvordan elektronskyen er fordelt mellem atomer i krystalgitteret af faste stoffer med en opløsning på et par tiere af pimeter, som er milliarddele af en millimeter. Eksperimenterne baner vejen for en ny klasse af laserbaserede mikroskoper, der kunne tillade fysikere, kemikere, og materialeforskere til at kigge ind i detaljerne i mikrokosmos med hidtil uset opløsning og til at forstå og til sidst kontrollere materialernes kemiske og elektroniske egenskaber.

I årtier, forskere har brugt glimt af laserlys til at forstå mikrokosmos indre funktion. Sådanne laserblink kan nu spore ultrahurtige mikroskopiske processer inde i faste stoffer. Stadig, de kan ikke rumligt opløse elektroner, dvs. se hvordan elektroner optager det lille rum blandt atomer i krystaller, eller hvordan de danner de kemiske bindinger, der holder atomer sammen. Ernst Abbe opdagede årsagen for mere end et århundrede siden. Synligt lys kan kun skelne objekter, der i størrelse svarer til dets bølgelængde, hvilket er cirka nogle få hundrede nanometer. Men for at se elektroner, mikroskoperne skal øge deres forstørrelsesevne med et par tusinde gange.

For at overvinde denne begrænsning, Goulielmakis og kolleger tog en anden vej. De udviklede et mikroskop, der arbejder med kraftige laserimpulser. De døbte deres enhed et Light Picoscope. "En kraftig laserpuls kan tvinge elektroner inde i krystallinske materialer til at blive fotografer af rummet omkring dem, " sagde Harshit Lakhotia, en forsker i gruppen.

Når laserpulsen trænger ind i krystallen, den kan gribe en elektron og drive den ind i en hurtig vrikkende bevægelse. "Når elektronen bevæger sig, den mærker rummet omkring sig, ligesom din bil føler den ujævne overflade på en ujævn vej, " sagde Lakhotia. Når de laserdrevne elektroner krydser et bump lavet af andre elektroner eller atomer, den decelererer og udsender stråling med en frekvens, der er meget højere end lasernes. "Ved at registrere og analysere egenskaberne af denne stråling, vi kan udlede formen af ​​disse små stød, og vi kan tegne billeder, der viser, hvor elektrontætheden i krystallen er høj eller lav, " sagde Hee-Yong Kim, en doktorgradsforsker i Extreme Photonics Labs. "Laser pikoskopi kombinerer evnen til at kigge ind i hovedparten af ​​materialer, som røntgenstråler, og det at undersøge valenselektroner. Sidstnævnte er muligt ved at scanne tunnelmikroskoper, men kun på overflader."

Sheng Meng, fra Institut for Fysik, Beijing, og en teoretisk solid-state fysiker i forskerholdet, sagde, "Med et mikroskop, der er i stand til at sondere, valenselektrondensiteten vil vi måske snart være i stand til at benchmarke ydeevnen af ​​beregningsbaserede faststoffysikværktøjer. Vi kan optimere moderne, state-of-the-art modeller til at forudsige materialers egenskaber med stadig finere detaljer. Dette er et spændende aspekt, som laser pikoskopi bringer ind."

Nu, forskerne arbejder på at udvikle teknikken yderligere. De planlægger at sondere elektroner i tre dimensioner og yderligere benchmarke metoden med en bred vifte af materialer, herunder 2-D og topologiske materialer. "Fordi laser picoskopi let kan kombineres med tidsopløste laserteknikker, det kan snart blive muligt at optage rigtige film af elektroner i materialer. Dette er et længe søgt mål i ultrahurtige videnskaber og mikroskopier af stof, " sagde Goulielmakis.