Kwantumcorrelatie onthuld door attoseconde vertraging

Attoseconde tijdopgeloste experimenten hebben het toenemende belang van elektronische correlaties in de collectieve plasmonrespons aangetoond, omdat de grootte van het systeem afneemt tot sub-NM-schalen.

De studie, gepubliceerd in het dagboek De wetenschap vordertwerd geleid door de Universiteit van Hamburg en Desy als onderdeel van een samenwerking met Stanford, SLAC National Accelerator Laboratory, Ludwig-Maximilians-Universität München, Northwest Missouri State University, Politecnico Di Milano en het Max Planck Institute voor de structuur en dynamiek van Match .

Plasmons zijn collectieve elektronische excitaties die aanleiding geven tot unieke effecten in materie. Ze bieden een middel om extreme lichtbeperking te bereiken, waardoor baanbrekende toepassingen mogelijk zijn, zoals efficiënte oogst van zonne -energie, ultrafijne sensortechnologie en verbeterde fotokatalyse.

De miniaturisatie van plasmonische structuren op nanoschaal heeft geleid tot de geboorte van het opwindende veld van nanoplasmoniek, waar optische energie kan worden beperkt en gemanipuleerd op ongekende schalen.

“Dit geavanceerde onderzoek is het openen van nieuwe wegen voor de ontwikkeling van ultracompacte, hoogwaardige platforms, waar lichte interacties kunnen worden geregeld door gebruik te maken van kwantumeffecten die op de nanoschaal verschijnen”, zegt Francesca Calegari, hoofd van de hoofd Attosecond Science Group, professor aan de Universiteit van Hamburg, leidt wetenschapper bij Desy en woordvoerder van de Cluster of Excellence CUI: Advanced Imaging of Matter.

Hoewel de eigenschappen van plasmonische resonanties in systemen met dimensies tot ongeveer 10 nanometers goed worden begrepen, blijft het begrip van plasmonics op de paar-nanometer of sub-nanometerschaal beperkt.

In deze systemen vertonen fullerenen een uniek geval: deze kooiachtige moleculen, samengesteld uit koolstofatomen, vertonen gigantische plasmonische resonanties bij extreme ultraviolet (XUV) energieën, die foto-emissie kunnen veroorzaken. De lijnbreedtes van deze resonanties zijn Ultrabroad, wat wijst op mogelijke attoseconde levens. Een attoseconde is een miljardste van een miljardste van een seconde.

De ultrasnelle dynamiek van deze systemen biedt een uitzonderlijk platform voor het onderzoeken van de fundamentele fysieke mechanismen die de collectieve elektronische beweging in sub-nanometer plasmonische deeltjes regelen.

“Inzicht in deze mechanismen is cruciaal voor het bevorderen van het gebied van nanoplasmoniek”, zegt Andrea Trabattoni, onderzoeker aan Desy en universitair hoofddocent aan de Leibniz University Hanover (Luh).

In hun onderzoek gebruikten de wetenschappers attoseconde spectroscopie om experimenteel en theoretisch de plasmon -dynamiek van de meest voorkomende fullereen, c te onderzoeken₆₀. De moleculen werden gefotoseerd door een ultrashort extreme ultraviolette puls van 300 attoseconden.

Met behulp van attoseconde foto -emissiespectroscopie, hebben de wetenschappers precies de vertraging gemeten die nodig is voor het elektron om het molecuul te ontsnappen tijdens plasmonische excitatie. Ze ontdekten dat het elektron, zich voortplant in het plasmonische potentieel, een foto -emissievertraging ophoopt, variërend van minimaal 50 attoseconden tot ongeveer 300 attoseconden, afhankelijk van de kinetische energie.

Ondersteund door kwantummechanische modellen schrijft de groep deze vertraging toe aan elektronische kwantumcorrelaties. Deze bevindingen benadrukken de noodzaak om verder te gaan dan het klassieke beeld van collectieve elektronenbeweging om de dynamiek van deze ultrasnelle, beperkte omgevingen volledig te begrijpen.

“Door de vertraging te meten die wordt geïnduceerd door kwantumcorrelaties, ontgrendelen we nieuwe inzichten in het samenspel tussen elektronische coherentie en opsluiting op sub-nanometerschalen”, zegt Matthias Kling, professor in Photon Science aan de Stanford University en Science and R & D Division Director bij LCLS, SLAC National Accelerator Laboratory.

“Dit werk toont de kracht van attoseconde technieken om de kwantumkarakter van materie te onderzoeken en opent de deur naar nieuwe benaderingen bij het manipuleren van ultrasnelle dynamiek voor toekomstige technologieën.”