Med det ultrasnabba systemet i Physics Center vid Kiel University (Tyskland), elektronernas beteende kan filmas levande. Upphovsman:Jürgen Haacks, CAU
Under omvandlingen av ljus till elektricitet, som i solceller, en stor del av den ingående ljusenergin går förlorad. Detta beror på beteendet hos elektroner inuti material. Om ljus träffar ett material, det stimulerar elektroner energiskt under en bråkdel av en sekund, innan de skickar tillbaka energin till miljön. På grund av deras extremt korta varaktighet på några femtosekunder - en femtosekund är en kvadriljondel av en sekund - har dessa processer knappt utforskats hittills. Ett team från Institute of Experimental and Applied Physics vid Kiel University (CAU), under ledning av professor Michael Bauer och professor Kai Roßnagel, har nu lyckats undersöka elektronernas energiutbyte med sin omgivning i realtid, och därigenom särskilja enskilda faser. I deras experiment, de bestrålade grafit med en intensiv, ultrakort ljuspuls och filmade påverkan på elektronernas beteende. En övergripande förståelse av de grundläggande processerna som är inblandade kan vara viktig i framtiden för applikationer i ultrasnabba optoelektroniska komponenter. Forskargruppen har publicerat dessa resultat i den aktuella upplagan av tidskriften Fysiska granskningsbrev .
Materialets egenskaper beror på beteendet hos dess elektroner och atomer. En grundläggande modell för att beskriva beteendet hos elektroner är begreppet den så kallade Fermigasen, uppkallad efter Nobelprisvinnaren Enrico Fermi. I denna modell, elektronerna i materialet anses vara ett gasformigt system. På det här sättet, det är möjligt att beskriva deras interaktioner med varandra. För att följa beteendet hos elektroner på grundval av denna beskrivning i realtid, forskarteamet i Kiel utvecklade ett experiment för undersökningar med extrem tidsupplösning:om ett materialprov bestrålas med en ultrasnabb ljuspuls, elektronerna stimuleras under en kort period. En sekund, fördröjd ljuspuls frigör några av dessa elektroner från det fasta ämnet. En detaljerad analys av dessa gör det möjligt att dra slutsatser om materialets elektroniska egenskaper efter den första stimuleringen med ljus. En speciell kamera filmar hur den ljusenergi som införs distribueras genom elektronsystemet.
Utvecklad i Kiel:ett av världens snabbaste system
Med sina ultrasnabba ljusstrålar, Kiel -systemet är ett av de snabbaste och mest kraftfulla i världen. Upphovsman:Jürgen Haacks, CAU
Det speciella med Kiel -systemet är dess extremt höga tidsupplösning på 13 femtosekunder. Detta gör den till en av de snabbaste elektronkamerorna i världen. "Tack vare den extremt korta varaktigheten av de använda ljuspulserna, vi kan filma ultrasnabba processer live. Våra undersökningar har visat att det händer förvånansvärt mycket här, "förklarade Michael Bauer, professor i ultrasnabb dynamik vid CAU. Han utvecklade systemet, tillsammans med Kai Roßnagels arbetsgrupp, professor i solid state -forskning med synkrotronstrålning.
I deras nuvarande experiment, forskargruppen bestrålade ett grafitprov med en kort, intensiv ljuspuls på endast sju femtosekunder. Grafit kännetecknas av en enkel elektronisk struktur. Således, grundläggande processer kan observeras särskilt tydligt. I experimentet, de påverkande ljuspartiklarna - även kallade fotoner - störde elektronernas termiska jämvikt. Denna jämvikt beskriver ett tillstånd där en exakt definierbar temperatur råder bland elektronerna. Kiel -forskargruppen filmade sedan beteendet hos elektronerna, tills en balans återställdes efter cirka 50 femtosekunder.
Filminspelningar visar för första gången hur energifördelningen i ett grafitprov förändras under ultrakortperioden på 50 femtosekunder. Kredit:Phys. Rev Lett
Många interaktioner inom en extremt kort period
Genom att göra så, forskarna observerade många interaktionsprocesser för upphetsade elektroner med de påverkande fotonerna, liksom atomer och andra elektroner i materialet. På grundval av filmmaterialet, de kunde till och med skilja olika faser inom denna ultrakorteperiod:först och främst de bestrålade elektronerna absorberade ljusenergin för fotonerna i grafiten, och därmed förvandlat den till elektrisk energi. Då distribuerades energin till andra elektroner, innan de förde det vidare till de omgivande atomerna. I denna sista process, den elektriska energin omvandlas slutligen permanent till värme; grafiten värms upp.
Experimenten från Kiel -forskargruppen bekräftar också teoretiska förutsägelser för första gången. De möjliggör ett nytt perspektiv på ett forskningsämne som knappast har undersökts på denna korta tidsskala. "Genom våra nya tekniska möjligheter, dessa grundläggande, komplexa processer kan observeras direkt för första gången, "sa Bauer. Detta tillvägagångssätt kan också tillämpas i framtiden för att undersöka och optimera ultrasnabba rörelser av lätt omrörda elektroner i material med lovande optiska egenskaper.
