En ny teknik utvecklad av ett team på MIT kan kartlägga den kompletta elektroniska bandstrukturen av material med hög upplösning. Denna förmåga är vanligtvis exklusiv för stora synkrotronanläggningar, men nu är den tillgänglig som en laserbaserad installation på MIT. Denna teknik, som använder extrema ultravioletta (XUV) laserpulser för att mäta elektronernas dynamik via vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES), kallas tidsupplöst XUV ARPES.

Till skillnad från den synkrotronbaserade installationen, den här laserbaserade installationen ger dessutom en tidsupplöst funktion för att titta på elektronerna inuti ett material på en mycket snabb, femtosekund (kvadriljondel av en sekund) tidsskala. Att jämföra denna snabba teknik på en tids- och avståndsskala, medan ljus kan resa från månen till jorden på ungefär en sekund, den kan bara gå så långt som tjockleken på ett enda ark vanligt kopieringspapper på en femtosekund.

MIT-teamet utvärderade sin instrumentupplösning med hjälp av fyra exemplariska material som representerar ett brett spektrum av kvantmaterial:en topologisk Weyl-halvmetall, en supraledare med hög kritisk temperatur, en skiktad halvledare, och ett laddningstäthetsvågsystem.

Tekniken beskrivs i en artikel i tidskriften Naturkommunikation , författad av MIT fysiker Edbert Jarvis Sie Ph.D. '17, tidigare postdoc Timm Rohwer, Changmin Lee Ph.D. '18, och MIT fysikprofessor Nuh Gedik.

Ett centralt mål för modern fysik av kondenserad materia är att upptäcka nya faser av materia och utöva kontroll över deras inneboende kvantegenskaper. Sådana beteenden har sina rötter i hur elektronernas energi förändras som en funktion av deras rörelsemängd inuti olika material. Detta förhållande är känt som den elektroniska bandstrukturen hos material och kan mätas med hjälp av fotoemissionsspektroskopi. Denna teknik använder ljus med hög fotonenergi för att slå bort elektronerna från materialytan - en process som tidigare kallades den fotoelektriska effekten, för vilket Albert Einstein fick Nobelpriset i fysik 1921. Hastigheten och riktningen för de utgående elektronerna kan mätas på ett vinkelupplöst sätt för att bestämma energi- och momentumförhållandet inuti materialet.

Den kollektiva interaktionen mellan elektroner i dessa material går ofta utöver läroboksförutsägelser. En metod för att studera sådana icke-konventionella interaktioner är genom att främja elektronerna till högre energinivåer och se hur de slappnar av tillbaka till grundtillståndet. Detta kallas en "pump-and-probe"-metod, vilket i grunden är samma metod som människor använder i sin vardag för att uppfatta nya föremål omkring sig. Till exempel, vem som helst kan tappa en sten på vattenytan och se hur krusningarna avtar för att observera vattnets ytspänning och akustik. Skillnaden i MIT-inställningen är att forskarna använder infraröda ljuspulser för att "pumpa" elektronerna till det exciterade tillståndet och XUV-ljuspulserna för att "sondera" de fotoemitterade elektronerna efter en tidsfördröjning.

Tids- och vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (trARPES) fångar filmer av den elektroniska bandstrukturen hos det fasta ämnet med femtosekunders tidsupplösning. Denna teknik ger ovärderlig inblick i elektrondynamiken, vilket är avgörande för att förstå materialens egenskaper. Dock, det har varit svårt att komma åt högmomenta elektroner med snäv energiupplösning via laserbaserad ARPES, allvarligt begränsar vilken typ av fenomen som kan studeras med denna teknik.

Den nyutvecklade XUV trARPES -installationen på MIT, som är cirka 10 fot lång, kan generera en femtosekund extrem ultraviolett ljuskälla med hög energiupplösning. "XUV absorberas snabbt av luft, så vi inrymmer optiken i vakuum, " säger Sie. "Varje komponent från ljuskällan till provkammaren projiceras på datorn med en millimeterprecision." Denna teknik möjliggör full tillgång till den elektroniska bandstrukturen för alla material med en aldrig tidigare skådad energiupplösning på femtosekunders tidsskalor." För att visa upplösningen i vår installation, det räcker inte att bara mäta ljuskällans upplösning, " säger Sie. "Vi måste verifiera den sanna upplösningen från verkliga fotoemissionsmätningar med ett brett utbud av material – resultaten är mycket tillfredsställande!"

Den slutliga monteringen av MIT-installationen omfattar flera nya instrument som utvecklas samtidigt inom industrin:femtosekund XUV-ljuskälla (XUUS) från KMLabs, XUV monokromator (OP-XCT) från McPherson, och vinkelupplöst time-of-flight (ARToF) elektronanalysator från Scienta Omicron. "Vi tror att den här tekniken har potential att tänja på gränsen för den kondenserade materiens fysik, "Gedik säger, "så vi arbetade med relevanta företag för att uppnå denna spetskapacitet."

MIT -inställningen kan noggrant mäta elektronernas energi med höga moment. "Kombinationen av time-of-flight elektronanalysator och XUV femtosekund ljuskälla ger oss möjligheten att mäta hela bandstrukturen för nästan alla material, " Rohwer säger, "Till skillnad från vissa andra inställningar, vi behöver inte luta provet upprepade gånger för att kartlägga bandstrukturen – och detta sparar oss mycket tid!"

Ett annat betydande framsteg är möjligheten att ändra fotonenergin. "Fotoemissionsintensiteten varierar ofta avsevärt med fotonenergin som används i experimentet. Detta beror på att fotoemissionens tvärsnitt beror på orbitalkaraktären hos de element som bildar det fasta ämnet, "Säger Lee. "Den fotonenergiavstämning som vår installation tillhandahåller är extremt användbar för att förbättra fotoemissionsräkningarna för särskilda band som vi är intresserade av."

Stanford Institute for Materials and Energy Science Staff Scientist Patrick S. Kirchmann, en expert på ARPES-tekniker, säger, "Som utövare tror jag att trARPES är mycket användbart. Allt kvantmaterial, topologisk isolator, eller supraledningsfråga tjänar på att förstå bandstrukturen i icke-jämvikt. Grundidén med trARPES är enkel:Genom att detektera emissionsvinkeln och energin för fotoemitterade elektroner, vi kan spela in den elektroniska bandstrukturen. Gjort efter att ha exciterat provet med ljus, vi kan spela in förändringar av bandstrukturen som ger oss "elektronfilmer", "som är filmade med bildhastigheter på sin naturliga femtosekundsskala."

Kommenterar forskargruppen Gediks nya rön vid MIT, Kirchmann säger, "Sies och Gediks arbete sätter en ny standard genom att uppnå 30 meV [milli-elektronvolt] bandbredd samtidigt som de bibehåller en tidsupplösning på 200 femtosekunder. Genom att inkludera utbytbara gitter i sin installation, det kommer också att vara möjligt att ändra den partitionering av produkten tid-bandbredd. Dessa prestationer kommer att möjliggöra långbehövliga högupplösta studier av kvantmaterial med tillräckligt hög energiupplösning för att ge djupgående insikter."

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.