Høje harmoniske oplyser bevægelsen af ​​atomer og elektroner

Laserlys kan radikalt ændre faste materialers egenskaber, hvilket gør dem superledende eller magnetiske inden for en milliontedel af en milliardtedel af et sekund. Det intense lys forårsager grundlæggende, umiddelbare ændringer i et fast stof ved at "ryste" dets atomare gitterstruktur og flytte elektroner rundt. Men hvad er det egentlig, der sker på det elementære niveau? Hvordan bevæger disse atomer og elektroner sig egentlig?

Nu har et teorihold ved Max Planck-instituttet for materiens struktur og dynamik i Hamborg fundet en ny måde at belyse disse atomare bevægelser på. I PNAS skitserer forskerne, hvordan en laserpuls genererer lysemission ved højere frekvenser fra materialet, såkaldte højere harmoniske. Dette højenergilys forbliver dog ikke det samme, men det ændrer sig med hver bevægelse af gitteret. Efterhånden som de høje overtoner ændrer sig i intensitet, giver de "snapshots" af atomernes og elektronernes bevægelser i hvert præcist øjeblik.

Holdet studerede et monolag af hexagonalt bornitrid (hBN) kun et atom tykt, hvis gitter kan ophidses til at vibrere på tidsskalaer på snesevis af femtosekunder. En første "pumpe" laserimpuls rammer materialet og får atomerne til at bevæge sig i forening. Efterfølgende exciterer en anden infrarød laserimpuls elektronerne yderligere, så de forårsager udsendelse af lys ved nye frekvenser - de høje harmoniske. Disse indeholder den underliggende information om gittervibrationerne (også kendt som fononer). Ved at analysere dem får videnskabsmænd detaljeret ny indsigt i disse atomare bevægelser.

Udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences , holdets resultater repræsenterer et stort skridt fremad i at forstå de grundlæggende ændringer i et fast materiale, mens det bliver bestrålet af en intens laser. Det er også en yderst effektiv metode, fordi forskere indtil nu havde brug for langt mere avancerede lyskilder til at observere disse elementære bevægelser.

Derudover viste holdet, at når atomerne begynder at vibrere, ændres interaktionen mellem materialet og den indledende laserpuls med selve laserens fase. Det betyder, at forskere kan udpege præcis, hvilken bevægelse i gitteret, der blev udløst af hvilken fase i laserens optiske cyklus, som om de indstillede et stopur til det pågældende tidspunkt. Sagt anderledes:Holdets arbejde har produceret en meget avanceret spektroskopisk teknik med ekstrem tidsmæssig opløsning. Inden for denne tilgang kan gitterbevægelser kortlægges ned til et enkelt femtosekund – men uden behov for højenergi røntgenstråler eller attosekundsimpulser, som er langt sværere at anvende.

"Hovedvirkningen af ​​dette arbejde er, at vi danner et udgangspunkt for at forstå, hvordan fononer spiller en rolle i ikke-lineære lysstofinteraktioner," siger hovedforfatter Ofer Neufeld fra MPSD Theory Department. "Denne tilgang lader os undersøge femtosekunds strukturelle dynamik i faste stoffer, herunder faseovergange, klædte faser af stof og også kobling mellem elektroner og fononer." + Udforsk yderligere

Højenergielektroner synkroniseret med ultrahurtig laserpuls for at undersøge, hvordan atomers vibrationstilstande ændrer sig over tid