För första gången, ingenjörer och forskare vid Caltech har direkt kunnat observera elektronernas ultrasnabba rörelse omedelbart efter att de är upphetsade med en laser - och fann att dessa elektroner diffunderar in i sin omgivning mycket snabbare och längre än tidigare förväntat.

Detta beteende, känd som "superdiffusion, "hade varit hypoteser men aldrig tidigare sett. Ett team under ledning av Caltechs Marco Bernardi och avlidne Ahmed Zewail dokumenterade elektronernas rörelse med hjälp av mikroskop som tog bilder med en slutartid på en biljonjon sekund i en nanometer skala rumslig upplösning. Deras fynd framträder i en studie publicerad i Naturkommunikation den 11 maj.

De upphetsade elektronerna uppvisade en diffusionshastighet 1, 000 gånger högre än före excitation. Även om fenomenet bara varar i några hundra biljondelar av en sekund, det ger potential för manipulation av heta elektroner i denna snabba regim för att transportera energi och laddning i nya enheter.

"Vårt arbete visar att det finns en snabb övergående som varar i några hundra pikosekunder, under vilka elektroner rör sig mycket snabbare än sin rumstemperaturhastighet, vilket innebär att de kan täcka längre sträckor under en viss tid när de manipuleras med lasrar, säger Bernardi, biträdande professor i tillämpad fysik och materialvetenskap i Caltechs avdelning för teknik och tillämpad vetenskap. "Detta icke-jämviktsbeteende kan användas i nya elektroniska, optoelektronisk, och enheter för förnybar energi, liksom att avslöja ny grundläggande fysik. "

Bernardis kollega, Nobelpristagare Ahmed Zewail, Linus Pauling professor i kemi, professor i fysik, och chef för Physical Biology Center for Ultrafast Science and Technology på Caltech, gick bort den 2 augusti, 2016.

Undersökningen möjliggjordes genom att skanna ultrasnabb elektronmikroskopi - en ultrasnabb bildteknologi som föregick av Zewail som kan skapa bilder med picosekundtid och nanometer rumsliga upplösningar. Bernardi utvecklade teorin och datormodellerna som förklarar de experimentella resultaten som en manifestation av superdiffusion.

Bernardi planerar att fortsätta forskningen genom att försöka svara på både grundläggande frågor om upphetsade elektroner (till exempel hur de jämviktar varandra och med atomvibrationer i material) såväl som tillämpade, till exempel hur heta elektroner kan öka effektiviteten för energiomvandlingsanordningar som solceller och lysdioder.