Det kan vara oklokt att bedöma en bok efter dess omslag, men du kan berätta mycket om ett material från de yttersta elektronerna i dess atomer.

"Dessa yttersta elektroner, känd som valenselektroner, är de viktigaste aktörerna för att bilda kemiska bindningar och definierar faktiskt nästan varje egenskap hos ett fast - elektriskt, termisk, ledande, "sade Shambhu Ghimire, en associerad personalvetare vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory.

Nu har Ghimire och två kollegor vid Stanford PULSE Institute uppfunnit ett nytt sätt att sondera valenselektroner av atomer djupt inuti ett kristallint fast ämne.

I en rapport idag i Naturfysik , de beskriver att använda laserljus för att excitera några av valenselektronerna, styra dem runt inuti kristallen och studsa dem från andra atomer. Detta producerar ljusenheter som är osynliga för våra ögon, men bär ledtrådar till materialets atomstruktur och funktion.

"Detta kommer att förändra världen för avbildning av kristallina fastämnes insida, "Sa Ghimire, "ungefär som att skanna tunnelmikroskopi, eller STM, förändrat bildskalan i atomskala av ytor. "

Ett nytt sätt att titta på atomer i fasta ämnen

Uppfunnit i början av 1980 -talet, STM var en revolutionerande metod som gjorde det möjligt för forskare att göra de första bilderna av enskilda atomer och deras bindningar. Det hedrades med Nobelpriset i fysik 1986.

Men STM känner av valenselektroner från endast de två eller tre översta lagren av atomer i ett material. Ett flöde av dessa elektroner in i instrumentets spets skapar en ström som gör det möjligt att mäta avståndet mellan spetsen och ytan, spåra stötarna där atomer petar upp och dalarna mellan dem. Detta skapar en bild av atomerna och ger information om bindningarna som håller dem samman.

Nu kommer den nya tekniken att ge forskare samma nivå av tillgång till valenselektronerna djupt inne i det fasta ämnet.

Experimenten, utförd i ett SLAC -laserlab av PULSE postdoktoral forskare Yong Sing You, involverade kristaller av magnesiumoxid eller magnesia, ett vanligt mineral som används för att tillverka cement, bevara biblioteksböcker och städa upp förorenad jord, bland en mängd andra saker.

Dessa kristaller har också förmågan att flytta inkommande laserljus till mycket kortare våglängder och högre energier - ungefär som att trycka ner på en gitarrsträng ger en högre ton - genom en process som kallas hög harmonisk generation, eller HHG.

Styr elektroner för att generera ljus

I detta fall, forskarna justerade noggrant den inkommande infraröda laserstrålen så att den skulle väcka valenselektroner i kristallens syreatomer. De elektronerna oscillerade, som vibrerande gitarrsträngar, och genererade ljus med mycket kortare våglängder - i det extrema ultravioletta området - genom HHG.

Men när de justerade laserstrålens polarisering för att styra de upphetsade elektronerna längs olika banor inom kristallen, de upptäckte att HHG endast skedde när en elektron träffade en närliggande atom, och var mest effektiv när den träffade atomens dödpunkt. Ytterligare, våglängden för det harmoniskt genererade ljuset som kommer ut - vilket var 13 till 21 gånger kortare än ljuset som gick in - avslöjade densiteten hos den närliggande atomens valenselektroner, atomens storlek och även om det var en syreatom eller magnesium.

"Det är svårt att inhysa valenselektroner med nuvarande metoder för att mäta elektronladdningstäthet, som vanligtvis använder röntgen- eller elektrondiffraktion, "säger studieförfattaren David Reis, docent vid SLAC och Stanford och biträdande chef för PULSE. "Så att visa att vi kan göra det med atomkänslig känslighet i ett laser-experiment på en bordsskiva är en viktig milstolpe."

Alan Fry, divisionsdirektör för laservetenskap och teknik vid SLAC:s Linac Coherent Light Source X-ray laser, var inte inblandad i experimentet men erbjöd kudos "till teamet som utvecklat denna teknik och som fortsätter att göra spännande och intressant forskning med den."

Även om detta tillvägagångssätt kan vara begränsat till material som kan generera ljus genom HHG, han sa, "Det kan fortfarande berätta mycket om den elektroniska strukturen i dessa fasta ämnen, och i princip kan ge oss en bättre förståelse för andra material som inte har samma respons. Att förstå enkla system som detta bygger en grund för att förstå mer komplexa system. "