Lyser på dynamik i nanoskala

Fysikere fra universitetet i Konstanz, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU München) og Universitetet i Regensburg har med succes demonstreret, at ultrakorte elektronimpulser oplever et kvantemekanisk faseskift gennem deres interaktion med lysbølger i nanofotoniske materialer, som kan afdække nanomaterialernes funktionalitet. De tilsvarende forsøg og resultater er rapporteret i det seneste nummer af Videnskabens fremskridt.

Nanofotoniske materialer og metamaterialer

Mange materialer, der findes i naturen, kan påvirke elektromagnetiske bølger som lys på alle mulige måder. Imidlertid, generere nye optiske effekter med det formål at udvikle særligt effektive solceller, tilsløringsanordninger eller katalysatorer kræver ofte kunstige strukturer, såkaldte metamaterialer. Disse materialer opnår deres ekstraordinære egenskaber gennem sofistikeret strukturering på nanoskala, dvs. gennem et gitterlignende arrangement af mindste byggeklodser på længdeskalaer et godt stykke under excitationens bølgelængde.

Karakteriseringen og udviklingen af ​​sådanne metamaterialer kræver en dyb forståelse af, hvordan de indfaldende lysbølger opfører sig, når de rammer disse små strukturer, og hvordan de interagerer med dem. Følgelig, de optisk exciterede nanostrukturer og deres elektromagnetiske nærfelter skal måles ved rumlige opløsninger i området af nanometer (~10 ^-9 m) og, på samme tid, ved tidsmæssige opløsninger under varigheden af ​​excitationscyklussen (~10 ^-15 s). Imidlertid, dette kan ikke opnås med konventionel lysmikroskopi alene.

Ultrahurtig elektrondiffraktion af optisk exciterede nanostrukturer

I modsætning til lys, elektroner har en hvilemasse og tilbyder derfor 100, 000 gange bedre rumlig opløsning end fotoner. Ud over, elektroner kan bruges til at sondere elektromagnetiske felter og potentialer på grund af deres ladninger. Et hold ledet af professor Peter Baum (Universitetet i Konstanz) er nu lykkedes med at anvende ekstremt korte elektronimpulser for at opnå en sådan måling. Til det formål, varigheden af ​​elektronimpulserne blev komprimeret i tid ved hjælp af terahertz-stråling i en sådan grad, at forskerne var i stand til at opløse de optiske svingninger af de elektromagnetiske nærfelter ved nanostrukturerne i detaljer.

Høje rumlige og tidsmæssige opløsninger

"Udfordringen forbundet med dette eksperiment ligger i at sikre, at opløsningen er tilstrækkelig høj både i rum og tid. For at undgå rumladningseffekter, vi bruger kun enkelte elektroner pr. impuls og accelererer disse elektroner til energier på 75 kiloelektronvolt, " forklarer professor Peter Baum, sidste forfatter på studiet og leder af arbejdsgruppen for lys og stof ved universitetet i Konstanz' fysikafdeling. Når de bliver spredt af nanostrukturerne, disse ekstremt korte elektronimpulser interfererer med sig selv på grund af deres kvantemekaniske egenskaber og genererer et diffraktionsbillede af prøven.

Interaktion med de elektromagnetiske felter og potentialer

Undersøgelsen af ​​de optisk-exciterede nanostrukturer er baseret på det kendte princip for pumpe-probe-eksperimenter. Efter den optiske excitation af nærfelterne, den ultrakorte elektronimpuls ankommer til et defineret tidspunkt og måler de tidsfrosne felter i rum og tid. "Ifølge forudsigelserne fra Aharonov og Bohm, elektronerne oplever en kvantemekanisk faseforskydning af deres bølgefunktion, når de bevæger sig gennem elektromagnetiske potentialer, " forklarer Kathrin Mohler, en doktorgradsforsker ved LMU München og førsteforfatter på undersøgelsen. Disse optisk inducerede faseskift giver information om den ultrahurtige lysdynamik ved nanostrukturerne, i sidste ende leverer en filmlignende sekvens af billeder, der afslører lysets interaktion med nanostrukturerne.

Et nyt anvendelsesregime for elektronholografi og diffraktion

Disse eksperimenter illustrerer, hvordan elektronholografi og diffraktion kan udnyttes i fremtiden for at forbedre vores forståelse af grundlæggende lys-stof-interaktioner, der ligger til grund for nanofotoniske materialer og metamaterialer. På lang sigt, dette kan endda føre til udvikling og optimering af kompakt optik, nye solceller eller effektive katalysatorer.