Røntgenlaser ser et glimt af, hvordan elektroner danser med atomkerner i materialer

Ved at bruge røntgenlaserimpulser en million gange kortere end et øjenblink har forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory fanget elektronernes ultrahurtige bevægelse i materialer, hvilket giver ny indsigt i, hvordan subatomære interaktioner opstår.

Højenergiimpulserne, produceret af SLAC's røntgen-frielektronlaser, Linac Coherent Light Source (LCLS), gjorde det muligt for forskerne at "se" atomkernerne i et halvledermateriale vibrere og jiggle, og se elektroner ræse og cirkulere omkring dem med næsten lysets hastighed.

Observationerne kan hjælpe videnskabsmænd med at konstruere nye materialer med skræddersyede elektroniske egenskaber, såsom dem, der er nødvendige for mere kraftfuld elektronik, højhastighedsdatabehandling og nye optoelektroniske enheder.

Forskerholdet på SLAC brugte en speciel beamline på LCLS kaldet X-ray Pump-Probe instrumentet, som er designet til at se subatomære processer udspille sig i slowmotion. Strålelinjen har et specielt røntgen-"kamera" til præcist at fange positioner og bevægelser af elektroner og kerner i materialer.

Forskerne sendte en kort, intens røntgenimpuls ind i en prøve af galliumarsenid, et halvledermateriale, for at slå nogle af elektronerne ud af deres kredsløb omkring atomkernerne. I det øjeblik, efter røntgenstrålerne ramte, oplyste en anden, svagere røntgenimpuls prøven, da elektronerne omarrangerede sig, hvilket gav øjebliksbilleder af atomerne og deres hvirvlende elektronskyer.

"Vi fandt ud af, at nogle af elektronerne reagerede på røntgenimpulserne hurtigere end forventet," sagde SLAC-medarbejder og medforfatter Jun-Sik Lee. "De surfede i det væsentlige på bølgen skabt af røntgenpulsen, fik ekstra energi og accelererede til utrolig høje hastigheder."

"At se elektronerne surfe var en overraskelse, men da vi omhyggeligt analyserede vores billeder, indså vi, at det ikke burde have været det," sagde Linac Coherent Light Source (LCLS) direktør Mike Dunne, en medforfatter af undersøgelsen. "Det var simpelthen et af de tilfælde, hvor den adfærd, vi observerede, var blevet forudsagt af en anden - i dette tilfælde af teoretikere for omkring 70 år siden."