Vooruitgang in het onderzoek naar ultrasnelle elektronendynamica met behulp van korte lichtpulsen

Wanneer elektronen binnen een molecuul of halfgeleider bewegen, gebeurt dit op onvoorstelbaar korte tijdschalen. Een Zweeds-Duits team, waaronder dr. Jan Vogelsang van de Universiteit van Oldenburg, heeft nu aanzienlijke vooruitgang geboekt in de richting van een beter begrip van deze ultrasnelle processen: de onderzoekers konden de dynamiek volgen van elektronen die vrijkomen uit het oppervlak van zinkoxidekristallen met behulp van laserpulsen met een ruimtelijke resolutie in het nanometerbereik en met een voorheen onbereikbare temporele resolutie.

Met deze experimenten demonstreerde het team de toepasbaarheid van een methode die gebruikt zou kunnen worden om het gedrag van elektronen in onder meer nanomaterialen en nieuwe typen zonnecellen beter te begrijpen. Onderzoekers van de Universiteit van Lund, waaronder professor dr. Anne L’Huillier, een van de drie Nobelprijswinnaars in de natuurkunde van vorig jaar, waren betrokken bij het onderzoek gepubliceerd in het journaal Geavanceerd natuurkundig onderzoek.

In hun experimenten combineerde het onderzoeksteam een ​​speciaal type elektronenmicroscopie, bekend als foto-emissie-elektronenmicroscopie (PEEM), met attoseconde-fysica-technologie. De wetenschappers gebruiken lichtpulsen van extreem korte duur om elektronen te exciteren en hun daaropvolgende gedrag vast te leggen. “Het proces lijkt veel op een flitser die een snelle beweging in de fotografie vastlegt”, legt Vogelsang uit. Een attoseconde is ongelooflijk kort: slechts een miljardste van een miljardste van een seconde.

Zoals het team meldt, zijn vergelijkbare experimenten er tot nu toe niet in geslaagd de temporele nauwkeurigheid te bereiken die nodig is om de beweging van de elektronen te volgen. De kleine elementaire deeltjes zoeven veel sneller rond dan de grotere en zwaardere atoomkernen. In de huidige studie combineerden de wetenschappers echter de twee technologisch veeleisende technieken, foto-emissie-elektronenmicroscopie en attosecondemicroscopie, zonder de ruimtelijke of temporele resolutie in gevaar te brengen.

“We hebben nu eindelijk het punt bereikt waarop we attosecondepulsen kunnen gebruiken om de interactie van licht en materie op atomair niveau en in nanostructuren in detail te onderzoeken”, aldus Vogelsang.

Eén factor die deze vooruitgang mogelijk maakte, was het gebruik van een lichtbron die een bijzonder hoog aantal attosecondeflitsen per seconde genereert – in dit geval 200.000 lichtpulsen per seconde. Bij elke flits kwam gemiddeld één elektron vrij van het oppervlak van het kristal, waardoor de onderzoekers hun gedrag konden bestuderen zonder dat ze elkaar beïnvloedden. “Hoe meer pulsen per seconde je genereert, hoe makkelijker het is om een ​​klein meetsignaal uit een dataset te halen”, legt de natuurkundige uit.

Het laboratorium van Anne L’Huillier aan de Universiteit van Lund (Zweden), waar de experimenten voor het huidige onderzoek werden uitgevoerd, is een van de weinige onderzoekslaboratoria ter wereld met de technologische apparatuur die nodig is voor dergelijke experimenten.

Vogelsang, postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Lund van 2017 tot 2020, is momenteel een soortgelijk experimenteel laboratorium aan het opzetten aan de Universiteit van Oldenburg. In de toekomst zijn de twee teams van plan hun onderzoek voort te zetten en het gedrag van elektronen in verschillende materialen en nanostructuren te onderzoeken.