Fysikere bruger oscillationer af atomer til at kontrollere en faseovergang

Målet med 'femtokemi' er at filme og kontrollere kemiske reaktioner med korte lysglimt. Ved at bruge på hinanden følgende laserimpulser, atombindinger kan exciteres præcist og brydes som ønsket. Indtil nu, dette er blevet påvist for udvalgte molekyler. Det er nu lykkedes forskere ved universitetet i Göttingen og Max Planck Institute for Biophysical Chemistry at overføre dette princip til et solidt, kontrollerer dens krystalstruktur på overfladen. Resultaterne er blevet offentliggjort i tidsskriftet Natur .

Holdet, ledet af Jan Gerrit Horstmann og professor Claus Ropers, inddampede et ekstremt tyndt lag indium på en siliciumkrystal og kølede derefter krystallen ned til -220 grader Celsius. Mens indiumatomerne danner ledende metalkæder på overfladen ved stuetemperatur, de omarrangerer sig spontant til elektrisk isolerende sekskanter ved så lave temperaturer. Denne proces er kendt som overgangen mellem to faser - den metalliske og den isolerende - og kan skiftes med laserimpulser. I deres eksperimenter, forskerne belyste derefter den kolde overflade med to korte laserimpulser og observerede umiddelbart efter arrangementet af indium-atomerne ved hjælp af en elektronstråle. De fandt ud af, at laserimpulsernes rytme har en betydelig indflydelse på, hvor effektivt overfladen kan skiftes til metallisk tilstand.

Denne effekt kan forklares med oscillationer af atomerne på overfladen, som førsteforfatter Jan Gerrit Horstmann forklarer:"For at komme fra den ene tilstand til den anden, atomerne skal bevæge sig i forskellige retninger og dermed overvinde en slags bakke, ligner en rutsjebanetur. En enkelt laserpuls er ikke nok til dette, imidlertid, og atomerne svinger blot frem og tilbage. Men som en gyngende bevægelse, en anden puls på det rigtige tidspunkt kan give lige nok energi til systemet til at gøre overgangen mulig." I deres eksperimenter observerede fysikerne adskillige svingninger af atomerne, som påvirker konverteringen på vidt forskellige måder.

Deres resultater bidrager ikke kun til den grundlæggende forståelse af hurtige strukturelle ændringer, men åbner også op for nye perspektiver for overfladefysikken. "Vores resultater viser nye strategier til at kontrollere omdannelsen af ​​lysenergi på atomær skala, " siger Ropers fra det fysiske fakultet ved universitetet i Göttingen, som også er direktør ved Max Planck Institute for Biophysical Chemistry. "Den målrettede kontrol af atomernes bevægelser i faste stoffer ved hjælp af laserpulssekvenser kunne også gøre det muligt at skabe tidligere uopnåelige strukturer med helt nye fysiske og kemiske egenskaber."