Forskare vid institutionen för fysik vid ETH Zürich har mätt hur elektroner i så kallade övergångsmetaller omfördelas inom en bråkdel av en optisk oscillationscykel. De observerade att elektronerna koncentrerades runt metallatomerna inom mindre än en femtosekund. Denna omgruppering kan påverka viktiga makroskopiska egenskaper hos dessa föreningar, såsom elektrisk ledningsförmåga, magnetisering eller optiska egenskaper. Arbetet föreslår därför en väg för att kontrollera dessa egenskaper på extremt snabba tidsskalor.

Fördelningen av elektroner i övergångsmetaller, som representerar en stor del av det periodiska systemet för kemiska grundämnen, är ansvarig för många av deras intressanta egenskaper som används i applikationer. De magnetiska egenskaperna hos några av medlemmarna i denna grupp av material är, till exempel, utnyttjas för datalagring, medan andra uppvisar utmärkt elektrisk ledningsförmåga. Övergångsmetaller har också en avgörande roll för nya material med mer exotiskt beteende som är ett resultat av starka interaktioner mellan elektronerna. Sådana material är lovande kandidater för en lång rad framtida tillämpningar.

I deras experiment, vars resultat de rapporterar i en tidning som publicerades idag i Naturfysik , Mikhail Volkov och kollegor i gruppen Ultrasnabb laserfysik av professor Ursula Keller exponerade tunna folier av övergångsmetallerna titan och zirkonium för korta laserpulser. De observerade omfördelningen av elektronerna genom att registrera de resulterande förändringarna i optiska egenskaper hos metallerna i den extrema ultravioletta (XUV) domänen. För att kunna följa de inducerade förändringarna med tillräcklig tidsmässig upplösning, XUV-pulser med en varaktighet på bara några hundra attosekunder (10 ^-18 s) användes vid mätningen. Genom att jämföra de experimentella resultaten med teoretiska modeller, utvecklad av gruppen av prof. Angel Rubio vid Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Hamburg, forskarna fastställde att förändringen utvecklades på mindre än en femtosekund (10 ^-15 s) beror på en modifiering av elektronlokaliseringen i närheten av metallatomerna. Teorin förutspår också att i övergångsmetaller med starkare fyllda yttre elektronskal en motsatt rörelse - det vill säga, en delokalisering av elektronerna — är att vänta.

Ultrasnabb kontroll av materialegenskaper

Elektronfördelningen definierar de mikroskopiska elektriska fälten inuti ett material, som inte bara håller ihop ett fast ämne utan också i stor utsträckning bestämmer dess makroskopiska egenskaper. Genom att ändra fördelningen av elektroner, man kan alltså styra egenskaperna hos ett material också. Experimentet av Volkov et al. visar att detta är möjligt på tidsskalor som är betydligt kortare än svängningscykeln för synligt ljus (cirka två femtosekunder). Ännu viktigare är upptäckten att tidsskalorna är mycket kortare än den så kallade termaliseringstiden, vilket är den tid inom vilken elektronerna skulle tvätta ut effekterna av en extern kontroll av elektronfördelningen genom kollisioner mellan dem själva och med kristallgittret.

Inledande överraskning

Initialt, det kom som en överraskning att laserpulsen skulle leda till en ökad elektronlokalisering i titan och zirkonium. En allmän trend i naturen är att om bundna elektroner förses med mer energi, de kommer att bli mindre lokaliserade. Den teoretiska analysen, som stöder de experimentella observationerna, visade att den ökade lokaliseringen av elektrontätheten är en nettoeffekt till följd av den starkare fyllningen av de karakteristiska delvis fyllda d-orbitalerna hos övergångsmetallatomerna. För övergångsmetaller som har d-orbitaler som redan är mer än hälften fyllda (dvs. element mer åt höger i det periodiska systemet), nettoeffekten är den motsatta och motsvarar en delokalisering av den elektroniska densiteten.

Mot snabbare elektroniska komponenter

Även om det nu redovisade resultatet är av grundläggande karaktär, experimenten visar möjligheten till en mycket snabb modifiering av materialegenskaper. Sådana moduleringar används inom elektronik och optoelektronik för bearbetning av elektroniska signaler eller överföring av data. Medan befintliga komponenter bearbetar signalströmmar med frekvenser i gigahertz (10 ⁹ Hz) intervall, resultaten av Volkov och medarbetare indikerar möjligheten till signalbehandling vid petahertz-frekvenser (10 ¹⁵ Hz). Dessa ganska grundläggande rön kan därför informera om utvecklingen av nästa generationer av allt snabbare komponenter, och genom detta indirekt hitta in i vårt dagliga liv.