Elektroner i kvantevæske får energi fra laserpulser

Absorption af energi fra laserlys af frie elektroner i en væske er blevet demonstreret for første gang. Indtil nu, denne proces blev kun observeret i gasfasen. Fundene, ledet af Graz University of Technology, åbne nye døre til ultrahurtig elektronmikroskopi.

Undersøgelsen og udviklingen af ​​materialer afhænger afgørende af evnen til at observere de mindste objekter på de hurtigste tidsskalaer. Den nødvendige rumlige opløsning til undersøgelser i (sub-) atomområdet kan opnås med elektronmikroskopi. For de hurtigste processer, imidlertid, foregår inden for få femtosekunder (kvadrilliondeler af et sekund), tidsopløsningen for konventionelle elektronmikroskoper er utilstrækkelig. For at forbedre tidsvarigheden af ​​elektronpulser, elektroner skulle vælges inden for et kortere tidsvindue - analogt med en kameralukker, som styrer eksponeringstiden ved fotografering.

I princippet, denne tidsmæssige udvælgelse er mulig med ekstremt korte laserpulser gennem en proces kaldet laserassisteret elektronspredning (LAES). I denne proces, elektroner kan absorbere energi fra lysfeltet under kollisioner med atomer i prøven, der undersøges. "Strukturelle oplysninger leveres af alle elektroner, men dem, der har et højere energiniveau, kan tildeles det tidsvindue, hvor lyspulsen var til stede. Med denne metode, det er muligt at vælge et kort tidsvindue fra den lange elektronpuls og dermed forbedre tidsopløsningen, "forklarer Markus Koch, professor ved Institute of Experimental Physics ved Graz University of Technology. Indtil nu, imidlertid, LAES -processer er kun blevet observeret i gasfasen, trods deres undersøgelse i omkring 50 år.

Koch og hans team, i samarbejde med forskere fra Photonics Institute ved Vienna University of Technology og Institute of Chemistry ved Tokyo Metropolitan University, har nu demonstreret for første gang, at laserassisteret elektronspredning også kan observeres i kondenseret materiale, specifikt i superflydende helium.

Superfluid helium, der fører til succes

TU Graz-forskerne udførte eksperimentet i en superfluid heliumdråbe med få nanometers diameter (3-30 nm), hvori de indlæste enkeltatomer (indium eller xenon) eller molekyler (acetone), der fungerede som en elektronkilde - et ekspertfelt på instituttet. "De frie elektroner kan bevæge sig næsten uden friktion inden i dråben og absorbere mere energi i lysfeltet, end de taber ved kollisioner med heliumatomerne, "siger Leonhard Treiber, ph.d. elev med ansvar for forsøget. Den resulterende acceleration muliggør observation af meget hurtigere elektroner.

Eksperimenterne kunne tolkes i samarbejde med Markus Kitzler-Zeiler, en ekspert i stærke feltprocesser på TU Wien, og LAES -processen blev bekræftet gennem simuleringer af Reika Kanya fra Tokyo Metropolitan University. Resultaterne blev offentliggjort i Naturkommunikation .

I fremtiden, LAES -processen vil blive undersøgt inden for tynde film af forskellige materialer, også produceret inden i heliumdråber, for at bestemme vigtige parametre, såsom den optimale filmtykkelse eller laserpulsernes gunstige intensitet til anvendelse i et elektronmikroskop.