Forskerteam udvikler en ny metode til at studere atomstrukturer i materialeflader

Kemiske reaktioner, såsom dem, der opstår ved opladning og afladning af et batteri, foregår primært på overflader og ved grænseflader. Selvom det er meget let at studere de makroskopiske produkter af en reaktion, det har hidtil været svært at få et mere præcist billede af forløbet af kemiske reaktioner på atomniveau. Dette kræver målemetoder, der gør det muligt at foretage observationer på de ekstremt korte tidsskalaer, som kemiske reaktioner finder sted på.

I princippet, spektroskopiske metoder med meget korte laserpulser til tidsopløsning er egnede til dette. På samme tid, laserlyset skal have en meget kort bølgelængde, som fysiker Tobias Helk fra Friedrich Schiller University Jena forklarer:"For specifikt at kunne undersøge individuelle elementer ved hjælp af kerneelektronresonans, laserlys med en bølgelængde på et par nanometer er påkrævet - dvs. stråling i spektrumets ekstreme ultraviolette (XUV) eller røntgenstråle. "

For at observere kemiske processer, det er også vigtigt at kunne studere grænsefladerne mellem medier og materialeflader, hvor kemiske reaktioner finder sted, tilføjer Helk. Ud over korte bølgelængder og korte varigheder, laserpulserne skal også have en ekstremt høj intensitet for at kunne forårsage ikke-lineære effekter, som de kaldes, som gør det muligt at spore målesignalet tilbage til grænsefladen.

Indtil nu, imidlertid, der er meget få metoder til at generere så intens laserstråling i XUV- og røntgenområdet. "Indtil nu, dette har kun været muligt på store forskningsfaciliteter såsom FLASH free-electron laser på DESY, "siger prof. Christian Spielmann fra Institute of Optics and Quantum Electronics ved University of Jena. Men han og hans team, sammen med forskere fra USA og Frankrig, har nu fundet en måde at muliggøre sådanne undersøgelser i et standard laserlaboratorium.

Ikke-lineær frekvens fordobling på en titanium overflade

Til denne ende, en blød røntgenlaser fra Laboratoire d'Optique Appliquee i Palaisseau (Frankrig) blev brugt som lyskilde. "I vores eksperiment, vi oprettede en særlig fokuseringsgeometri, bestående af et elliptisk formet spejl, der gør det muligt for os at koncentrere laserstrålingen på et meget lille område, "siger doktorand Helk, hovedforfatter af undersøgelsen. Strålingen med en bølgelængde på 32,8 nanometer var fokuseret på en ultratynd titaniumfolie, og dens ikke-lineære interaktion med stofpartiklerne blev analyseret.

"Som det allerede er kendt fra undersøgelser med stråling i det synlige og infrarøde område, lys med nye egenskaber kan genereres gennem samspillet mellem lyspartikler og stofpartikler, "forklarer Helk. I en proces kendt som ikke-lineær frekvensfordobling (eller anden harmonisk generation), for eksempel, to fotoner af det bestrålede lys absorberes af materialet, og der udsendes en foton med dobbelt så høj frekvens (to gange energien).

Og det var netop denne effekt, forskerne var i stand til at demonstrere. Med et spektrometer, de adskilte strålingen som følge af interaktionen med titaniumfolien og registrerede den ved hjælp af et kamera. Ved at sammenligne simuleringer med måleresultaterne, de var også i stand til at vise, at den resulterende stråling stammer fra overfladen af ​​titanfolien og ikke i materialet.

"At kunne udføre denne form for overfladespektroskopi i XUV -området på laboratorieskala åbner for helt nye perspektiver. F.eks. kemiske processer på overflader eller skjulte grænseflader kan nu studeres fra et enkelt perspektiv i ellers komplekse kemiske miljøer, "siger prof. Michael Zürch fra University of California, beskriver betydningen af ​​resultatet. Desuden, den korte varighed af de anvendte impulser muliggør undersøgelse af dynamiske processer ved grænseflader, såsom dem, der opstår under opladning og afladning af batterier.