Fysiker från universitetet i Konstanz, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU München) och universitetet i Regensburg har framgångsrikt visat att ultrakorte elektronpulser upplever ett kvantmekaniskt fasskifte genom sin interaktion med ljusvågor i nanofotoniska material, som kan avslöja nanomaterialens funktionalitet. Motsvarande experiment och resultat redovisas i senaste numret av Vetenskapens framsteg.

Nanofotoniska material och metamaterial

Många material som finns i naturen kan påverka elektromagnetiska vågor som ljus på alla olika sätt. Dock, generera nya optiska effekter i syfte att utveckla särskilt effektiva solceller, maskeringsanordningar eller katalysatorer kräver ofta konstgjorda strukturer, så kallade metamaterial. Dessa material uppnår sina extraordinära egenskaper genom sofistikerad strukturering på nanoskala, dvs genom ett rutnätliknande arrangemang av minsta byggstenar på längdskalor långt under excitationens våglängd.

Karakteriseringen och utvecklingen av sådana metamaterial kräver en djup förståelse för hur de infallande ljusvågorna beter sig när de träffar dessa små strukturer och hur de interagerar med dem. Följaktligen, de optiskt exciterade nanostrukturerna och deras elektromagnetiska närfält måste mätas vid rumsliga upplösningar inom intervallet nanometer (~10 ^-9 m) och, på samma gång, vid tidsupplösningar under excitationscykelns varaktighet (~ 10 ^-15 s). Dock, detta kan inte uppnås enbart med konventionell ljusmikroskopi.

Ultrasnabb elektrondiffraktion av optiskt exciterade nanostrukturer

I motsats till ljus, elektroner har en vilamassa och erbjuder därför 100, 000 gånger bättre rumsupplösning än fotoner. Dessutom, elektroner kan användas för att undersöka elektromagnetiska fält och potentialer på grund av deras laddningar. Ett team ledd av professor Peter Baum (Universitetet i Konstanz) har nu lyckats applicera extremt korta elektronpulser för att uppnå en sådan mätning. För detta ändamål, varaktigheten av elektronpulserna komprimerades i tid med hjälp av terahertzstrålning i en sådan utsträckning att forskarna kunde lösa de optiska svängningarna i de elektromagnetiska närfälten vid nanostrukturerna i detalj.

Höga rumsliga och tidsmässiga upplösningar

"Utmaningen i detta experiment ligger i att se till att upplösningen är tillräckligt hög både i rymden och i tid. För att undvika rymdladdningseffekter, vi använder bara enstaka elektroner per puls och accelererar dessa elektroner till energier på 75 kiloelektronvolt, " förklarar professor Peter Baum, sista författare på studien och chef för arbetsgruppen för ljus och materia vid universitetet i Konstanz fysikavdelning. När de sprids av nanostrukturerna, dessa extremt korta elektronpulser stör sig själva på grund av deras kvantmekaniska egenskaper och genererar en diffraktionsbild av provet.

Interaktion med de elektromagnetiska fälten och potentialerna

Undersökningen av de optiskt exciterade nanostrukturerna är baserad på den kända principen för pump-sond-experiment. Efter den optiska exciteringen av närfälten, den ultrakorte elektronpulsen anländer vid en definierad tidpunkt och mäter de tidsfrusna fälten i rum och tid. "Enligt Aharonovs och Bohms förutsägelser, elektronerna upplever en kvantmekanisk fasförskjutning av sin vågfunktion när de färdas genom elektromagnetiska potentialer, " förklarar Kathrin Mohler, doktorand vid LMU München och första författare till studien. Dessa optiskt inducerade fasskift ger information om den ultrasnabba dynamiken i ljuset vid nanostrukturerna, slutligen leverera en filmliknande sekvens av bilder som avslöjar ljusets interaktion med nanostrukturerna.

En ny tillämpningsregim för elektronholografi och diffraktion

Dessa experiment illustrerar hur elektronholografi och diffraktion kan utnyttjas i framtiden för att förbättra vår förståelse av grundläggande ljus-materia-interaktioner som ligger bakom nanofotoniska material och metamaterial. I längden, detta kan till och med leda till utveckling och optimering av kompakt optik, nya solceller eller effektiva katalysatorer.