Elektroner med hög energi kopplade till en laser användes för att sondera atomrörelsen som inducerades i en tunn film av guld. En tvådimensionell detektor mätte intensiteten och riktningen av elektronerna spridda från guldatomerna. Den uppmätta förändringen i elektronens spridning med och utan exponering för laserstrålen (lasern exciterar atomerna, ökar deras vibrationer) visas i den översta bilden. Spridningen är starkast i den regelbundna uppsättningen mörkblå fläckar i bilden associerad med atomernas genomsnittliga position i deras kristallina array. Den disiga regionen, eller fläckar, runt en stark mättad topp (nere till höger) jämförs med en beräkning (längst ner till vänster) av den riktningsberoende diffusa spridningen relaterad till kollektiv termisk rörelse av atomer. Sådana mätningar är viktiga för att förstå energiska tillstånd och termisk transport i material - grundläggande för många tekniker, såsom termoelektriska anordningar. Kredit:US Department of Energy
En ny ultrasnabb teknik, med hjälp av elektroner med hög energi kopplade till en laserpump, avslöjade insikter om atomvibrationsdynamik i en laseruppvärmd guldtunn film. Denna teknik mätte direkt fononspektrumet (kvantiserade energipaket relaterade till atomgittervibrationer) och undersökte energiöverföringen från laserexciterade elektroner till atomvibrationer i atomgitteret. Detta arbete visar att specialiserade ultrasnabba elektrondiffraktionsinstrument kan lägga till sviten med tidsupplösta laserpump-/sondtekniker som kan utforska excitationer i material.
Ultrasnabb excitation och energiöverföring i atomskala är viktigt vid fasövergångar, kemiska reaktioner, och makroskopiskt energiflöde. Relevanta vibrationstidsramar förekommer i femtosekunder (flytta decimalpunkten 1,0 sekunder 15 gånger till vänster). Denna forskning visade nyttan av denna teknik för att lösa föränderliga vibrationstillstånd, vars förståelse kan avancera en rad tillämpningar från supraledning till laserinducerade fasövergångar.
Interaktionerna mellan elektroner och atomerna som de bor i är viktiga för en rad fenomen, från grundläggande elektron- och spinntransport, till laserinducerade fasövergångar. De flesta experimentella tekniker är begränsade i sin förmåga att undersöka atomvibrationer (fononer) eftersom, som en termometer, de genomsnittliga över alla vibrationstillstånd i materialet. Nu har forskning som leds av SLAC National Accelerator Laboratory mätt direkt hela frekvensområdet och tidsberoende beteendet hos fononer i en laseruppvärmd guldtunn film. I den experimentella inställningen, elektroner med hög energi sändes ut från en elektrod av en ultrasnabb laserpuls. Båda pulserna, elektroner och ljus, fortsatte till provet. Laserpulsen kom först och upphetsade de inhemska elektronerna i guldmaterialet, som sedan sonderades genom att sprida den efterföljande elektronpulsen till en detektor. Pump-/sondtekniken, som involverar den nyutvecklade ultrasnabba elektrondiffraktionskällan, mätte atomernas positioner som en funktion av den kontrollerade och variabla tiden mellan pump och sond.
Analys av atomvibrationerna hjälper till att avgöra hur ljusenergi, först absorberades av elektronerna runt atomer, överförs så småningom till själva atomernas rörelse. Analysen visade varierande kopplingstider mellan elektron- och fonon -excitationer. Resultaten bekräftade att energi överförs snabbare till högre frekvensvibrationer än till fononer vid lägre frekvenser. Det nya verktyget kan användas för att förstå energitransport i dess kortaste längd och tidsskala och på så sätt främja förståelsen av materialfenomen där värmeenergi är avgörande, såsom i superledande och termoelektriska anordningar.
