Højhastighedsmarch gennem et lag af grafen

I samarbejde med Center for Nano-Optics ved Georgia State University i Atlanta, forskere fra Laboratory for Attosecond Physics fra Max Planck Institute of Quantum Optics og Ludwig-Maximilians-Universität har lavet simuleringer af de processer, der sker, når et lag af kulstofatomer bestråles med stærkt laserlys.

Elektroner ramt af stærke laserimpulser ændrer deres placering på ultrakorte tidsskalaer, altså inden for et par attosekunder (1 as =10-18 sek). I samarbejde med Center for Nano-Optics ved Georgia State University i Atlanta (USA), forskere ved Laboratory for Attosecond Physics (LAP) ved Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) og Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) har lavet simuleringer af processer, der finder sted, når elektroner i et lag af kulstofatomer interagerer med stærke laserlys. Formålet med disse simuleringer er at få indsigt i lys-stof-interaktioner i mikrokosmos. En bedre forståelse af de underliggende fysiske processer kunne føre til lysbølgedrevet elektronik, der ville fungere ved lysfrekvenser, hvilket er hundrede tusinde gange hurtigere end de nyeste teknologier. Grafen med dets exceptionelle egenskaber anses for at være meget velegnet som eksempelsystem til prototypeforsøg.

Jo tættere vi observerer elektronernes bevægelse, jo bedre forstår vi deres interaktion med lys. Mange fænomener, der opstår i kondenseret stof på grund af stærkt-felt lys-stof interaktion er endnu ikke fuldt ud forstået. Da de underliggende processer sker inden for femto- eller endda attosekunder, det er svært at få adgang til dette intraatomare kosmos:et femtosekund er en milliontedel af en milliardtedel af et sekund; et attosekund er endda tusind gange kortere. Eksperimentelle metoder, der skal klare denne udfordring, er på et udviklingsstadium. Imidlertid, det er muligt at undersøge disse processer ved hjælp af numeriske simuleringer.

Holdet af videnskabsmænd fra LAP og Georgia State University har beregnet, hvad der sker med elektroner i grafen, der interagerer med en intens laserpuls. Laserfeltet exciterer og forskyder elektroner, ændrer således ladningstæthedsfordelingen. Under denne proces, en ekstremt kort elektronimpuls spredes fra sonden. Diffraktionskortet over disse stofbølger afspejler, hvordan elektrondensitetsfordelingen inde i grafenlaget er blevet ændret på grund af laserimpulsen.

Disse simuleringer har afsløret komplekse relationer mellem excitation af valenselektroner af lys og deres efterfølgende ultrahurtige bevægelse inde i og mellem kulstofatomerne i grafenlaget. Valenselektroner er svagt bundet og deles blandt naboatomer. Forskerne undersøgte deres bevægelse ved at identificere mikroskopiske volumener, der repræsenterer forskellige kemiske bindinger, og analysere den elektriske ladning indeholdt i disse volumener. Under en laserpuls, der er en betydelig omfordeling af afgiften; på samme tid, forskydningen af ​​elektronerne forårsaget af laserpulsens elektromagnetiske felt er meget lille, mindre end en picometer (10-12 m). Ud over det, beregningerne viste, at den lysinducerede elektriske strøm har en inhomogen mikroskopisk fordeling, flyder langs de kemiske bindinger mellem kulstofatomerne.

Disse simuleringer skulle hjælpe med nye ultrahurtige elektrondiffraktionsmålinger. "Vi vil muligvis opdage nye fænomener, og måske observere afvigelser fra vores forudsigelser", påpeger projektleder Vladislav Yakovlev. "Men vi er ret sikre på, at en del grundlæggende fysik venter på at blive observeret i udfordrende, men gennemførlige målinger på atomare skala."