För första gången, forskare har kunnat spela in, ram för bild, hur en elektron interagerar med vissa atomvibrationer i ett fast ämne. Tekniken fångar en process som vanligtvis orsakar elektrisk motstånd i material medan, i andra, kan orsaka raka motsatsen - frånvaron av motstånd, eller supraledning.

"Hur elektroner interagerar med varandra och deras mikroskopiska miljö bestämmer egenskaperna hos alla fasta ämnen, "sa MengXing Na, en University of British Columbia (UBC) Ph.D. student och medförfattare till studien, publicerades förra veckan i Vetenskap . "När vi väl har identifierat de dominerande mikroskopiska interaktionerna som definierar ett materials egenskaper, vi kan hitta sätt att "skruva upp" eller "sänka" interaktionen för att framkalla användbara elektroniska egenskaper. "

Att kontrollera dessa interaktioner är viktigt för det tekniska utnyttjandet av kvantmaterial, inklusive superledare, som används i MR -maskiner, höghastighets magnetiska svävningståg, och kan en dag revolutionera hur energi transporteras.

I små skala, atomer i alla fasta ämnen vibrerar konstant. Kollisioner mellan en elektron och en atom kan ses som en "spridning" -händelse mellan elektronen och vibrationen, kallas en fonon. Spridningen kan få elektronen att ändra både dess riktning och sin energi. Sådana elektron-fonon-interaktioner ligger i hjärtat av många exotiska faser av materia, där material visar unika egenskaper.

Med stöd av Gordon och Betty Moore Foundation, teamet vid UBC:s Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI) utvecklade en ny extremt ultraviolett laserkälla för att möjliggöra en teknik som kallas tidsupplöst fotoemissionsspektroskopi för att visualisera elektronspridningsprocesser vid ultrasnabba tidsskalor.

"Med hjälp av en ultrakort laserpuls, vi upphetsade enskilda elektroner bort från sin vanliga jämviktsmiljö, "sa Na." Använda en andra laserpuls som en effektiv kameralucka, vi fångade hur elektronerna sprider sig med omgivande atomer på tidsskalor snabbare än en biljonedel av en sekund. På grund av den mycket höga känsligheten i vår installation, vi kunde mäta direkt - för första gången - hur de upphetsade elektronerna interagerade med en specifik atomvibration, eller fonon. "

Forskarna utförde experimentet på grafit, en kristallin form av kol och moderföreningen av kolnanorör, Bucky bollar och grafen. Kolbaserad elektronik är en industri som växer, och spridningsprocesser som bidrar till elektrisk motstånd kan begränsa deras tillämpning inom nanoelektronik.

Tillvägagångssättet utnyttjar en unik laseranläggning utformad av David Jones och Andrea Damascelli, och utvecklad av medförfattaren Arthur Mills, vid UBC-Moore Center for Ultrafast Quantum Matter. Studien stöddes också av teoretiska samarbeten med grupperna Thomas Devereaux vid Stanford University och Alexander Kemper vid North Carolina State University.

"Tack vare de senaste framstegen inom pulserande laserkällor, vi har bara börjat visualisera de dynamiska egenskaperna hos kvantmaterial, "sa Jones, professor med UBC:s SBQMI och institutionen för fysik och astronomi.

"Genom att tillämpa dessa banbrytande tekniker, vi är nu redo att avslöja det svårfångade mysteriet med högtemperatur supraledning och många andra fascinerande fenomen med kvantämne, "sa Damascelli, vetenskaplig chef för SBQMI.