Fremskridt i undersøgelsen af ​​ultrahurtig elektrondynamik ved hjælp af korte lysimpulser

Når elektroner bevæger sig inden for et molekyle eller en halvleder, sker dette på ufattelig korte tidsskalaer. Et svensk-tysk team, herunder Dr. Jan Vogelsang fra Universitetet i Oldenburg, har nu gjort betydelige fremskridt hen imod en bedre forståelse af disse ultrahurtige processer:Forskerne var i stand til at spore dynamikken af ​​elektroner frigivet fra overfladen af ​​zinkoxidkrystaller vha. laserimpulser med rumlig opløsning i nanometerområdet og med tidligere uopnået tidsmæssig opløsning.

Med disse eksperimenter demonstrerede holdet anvendeligheden af ​​en metode, der kunne bruges til bedre at forstå elektronernes adfærd i blandt andet nanomaterialer og nye typer solceller. Forskere fra Lunds Universitet, herunder professor Dr. Anne L'Huillier, en af ​​sidste års tre nobelpristagere i fysik, var involveret i undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Advanced Physics Research .

I deres eksperimenter kombinerede forskerholdet en speciel type elektronmikroskopi kendt som fotoemissionselektronmikroskopi (PEEM) med attosecond-fysikteknologi. Forskerne bruger ekstremt kortvarige lysimpulser til at excitere elektroner og registrere deres efterfølgende adfærd. "Processen er meget som en blitz, der fanger en hurtig bevægelse i fotografering," forklarede Vogelsang. Et attosekund er utrolig kort – kun en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund.

Som holdet rapporterer, havde lignende eksperimenter indtil videre ikke opnået den tidsmæssige nøjagtighed, der kræves for at spore elektronernes bevægelse. De små elementarpartikler suser meget hurtigere rundt end de større og tungere atomkerner. I denne undersøgelse kombinerede forskerne imidlertid de to teknologisk krævende teknikker, fotoemissionselektronmikroskopi og attosekundmikroskopi, uden at gå på kompromis med hverken den rumlige eller tidsmæssige opløsning.

"Vi er nu endelig nået til det punkt, hvor vi kan bruge attosekundpulser til i detaljer at undersøge interaktionen mellem lys og stof på atomniveau og i nanostrukturer," sagde Vogelsang.

En faktor, der gjorde dette fremskridt muligt, var at bruge en lyskilde, der genererer en særlig høj mængde attosekund-blink i sekundet - i dette tilfælde 200.000 lysimpulser i sekundet. Hvert blitz frigav i gennemsnit én elektron fra overfladen af ​​krystallen, hvilket gjorde det muligt for forskerne at studere deres adfærd, uden at de påvirkede hinanden. "Jo flere impulser i sekundet du genererer, jo lettere er det at udtrække et lille målesignal fra et datasæt," forklarede fysikeren.

Anne L'Huilliers laboratorium ved Lunds Universitet (Sverige), hvor eksperimenterne til denne undersøgelse blev udført, er et af de få forskningslaboratorier på verdensplan med det teknologiske udstyr, der kræves til sådanne eksperimenter.

Vogelsang, en postdoc-forsker ved Lunds Universitet fra 2017 til 2020, er i øjeblikket ved at oprette et lignende eksperimentelt laboratorium ved Universitetet i Oldenburg. I fremtiden planlægger de to hold at fortsætte deres undersøgelser og udforske elektronernes adfærd i forskellige materialer og nanostrukturer.

Flere oplysninger: Jan Vogelsang et al, Time-Resolved Photoemission Electron Microscopy on a ZnO Surface Using an Extreme Ultraviolet Attosecond Pulse Pair, Advanced Physics Research (2023). DOI:10.1002/apxr.202300122

Leveret af Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg