Skræddersyede laserfelter afslører egenskaber ved gennemsigtige krystaller

Overfladen af ​​et materiale har ofte egenskaber, der er meget forskellige fra egenskaberne i materialet. For eksempel, en ikke-ledende krystal, som faktisk ikke udviser magnetisme, kan vise magnetisering begrænset til dens overflade på grund af den måde, atomerne er arrangeret der. Disse særskilte egenskaber ved grænseflader og overflader af materialer spiller ofte en nøglerolle i udviklingen af ​​nye funktionelle komponenter såsom optoelektroniske chips eller sensorer og er derfor genstand for omfattende forskning. Et internationalt forskerhold fra universitetet i Göttingen, Max Planck Institute for Biophysical Chemistry Göttingen og National Research Council Canada er nu lykkedes med at undersøge overfladerne på gennemsigtige krystaller ved hjælp af kraftig bestråling fra lasere. Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Forskerne beskriver deres metode, som udelukkende er afhængig af lys, at bestemme elektriske og magnetiske egenskaber på overflader. Denne nye metode kan spille en vigtig rolle i undersøgelsen af ​​gennemsigtige, ikke-ledende materialer, da etablerede metoder, der anvender elektroner, ofte oplever eksperimentelle begrænsninger på grund af lav ledningsevne, blandt andre vanskeligheder. Brugen af ​​lys hjælper med at omgå disse begrænsninger:når lysstråler rammer en materialeoverflade, for eksempel en glasrude, de afspejles på grænsefladen, brydes og absorberes i materialet. Disse effekter, som kan observeres i hverdagen, er resultatet af det svage lysfelts vekselvirkning med det bestrålede materiales atomer og elektroner. I tilfælde af stærkere lysfelter, som opnås med lasere, yderligere virkninger opstår, der kan, for eksempel, generere højere lysfrekvenser - kendt som høj harmonisk stråling. Disse effekter er ofte afhængige af lysfeltets oscillationsretning i forhold til atomarrangementet i materialet.

"Vi udnytter denne afhængighed, når vi genererer høj harmonisk stråling for at få indsigt i egenskaberne ved og nær overfladen af ​​transparente materialer, " siger førsteforfatter og ph.d.-studerende Tobias Heinrich fra Det Fysiske Fakultet ved Göttingen Universitet. "Lysfeltet, vi bruger, er sammensat af to laserimpulser, der roterer i modsatte retninger ved to forskellige frekvenser, og dette resulterer i et kløverbladformet symmetrisk felt." Disse skræddersyede lysfelter kan tilpasses til materialets atomare arrangement for at styre genereringen af ​​de høje harmoniske.

"Vi viser, at denne kontrol kan bruges til at studere magnetisering på overfladen af ​​magnesiumoxid, " forklarer Dr. Murat Sivis, studielederen. Afhængigt af lysfeltets rotationsretning - også kaldet chiralitet - absorberes det genererede ultraviolette lys i forskellige grader ved grænsefladen. "For forskellige materialer, der faktisk ikke udviser magnetisering eller elektrisk ledningsevne, disse egenskaber ved overfladen er blevet forudsagt i teorien, " sagde Sivis. "I vores undersøgelse, vi viser, at det nu er muligt at undersøge sådanne fænomener ved kun at bruge optiske metoder, sandsynligvis endda på meget korte tidsskalaer." Forskerne håber også at få ny indsigt i andre chirale materialers elektroniske egenskaber, som undersøgelsen viser ved at bruge eksemplet med den spiralformede krystalstruktur af kvarts. Følsomheden over for chirale fænomener på overflader kan potentielt åbne op for nye muligheder for forskning i innovative funktionelle materialer.