Kemiska reaktioner, som de som uppstår vid laddning och urladdning av ett batteri, sker främst på ytor och vid gränssnitt. Även om det är mycket enkelt att studera de makroskopiska produkterna från en reaktion, det har hittills varit svårt att få en mer exakt bild av förloppet av kemiska reaktioner på atomnivå. Detta kräver mätmetoder som gör att observationer kan göras på de extremt korta tidsskalor på vilka kemiska reaktioner sker.

I princip, spektroskopiska metoder med mycket korta laserpulser för tidsupplösning är lämpliga för detta. På samma gång, laserljuset måste ha en mycket kort våglängd, som fysikern Tobias Helk vid Friedrich Schiller University Jena förklarar:"För att specifikt kunna undersöka enskilda element med hjälp av kärnelektronresonans, laserljus med en våglängd på några nanometer krävs - dvs. strålning i spektrumets extrema ultravioletta (XUV) eller röntgenstrålning. "

För att observera kemiska processer, Det är också viktigt att kunna studera gränssnitten mellan media och materialytor där kemiska reaktioner äger rum, tillägger Helk. Förutom korta våglängder och kort varaktighet, laserpulserna måste också ha en extremt hög intensitet för att kunna orsaka olinjära effekter, som de kallas, som gör att mätsignalen kan spåras tillbaka till gränssnittet.

Än så länge, dock, det finns väldigt få metoder för att generera så intensiv laserstrålning i XUV- och röntgenområdet. "Tills nu, detta har bara varit möjligt vid storskaliga forskningsanläggningar som FLASH-frielektronlasern på DESY, "säger professor Christian Spielmann från Institute of Optics and Quantum Electronics vid University of Jena. Men han och hans team, tillsammans med forskare från USA och Frankrike, har nu hittat ett sätt att göra sådana undersökningar möjliga i ett vanligt laserlaboratorium.

Icke-linjär frekvensfördubbling på en titanyta

För detta ändamål, en mjuk röntgenlaser från Laboratoire d'Optique Appliquee i Palaisseau (Frankrike) användes som ljuskälla. "I vårt experiment, vi sätter upp en speciell fokuseringsgeometri, bestående av en elliptiskt formad spegel som gör att vi kan koncentrera laserstrålningen på ett mycket litet område, säger doktorand Helk, huvudförfattare till studien. Strålningen med en våglängd på 32,8 nanometer fokuserades på en ultratunn titanfolie och dess olinjära interaktion med materialpartiklarna analyserades.

"Som redan är känt från studier med strålning i det synliga och infraröda området, ljus med nya egenskaper kan genereras genom växelverkan mellan ljuspartiklar och materialpartiklar, "förklarar Helk. I en process som kallas icke-linjär frekvensfördubbling (eller andra harmoniska generationen), till exempel, två fotoner av det bestrålade ljuset absorberas av materialet och en foton med dubbelt så hög frekvens (två gånger energin) avges.

Och det är just denna effekt som forskarna kunde visa. Med en spektrometer, de separerade strålningen från interaktionen med titanfolien och spelade in den med en kamera. Genom att jämföra simuleringar med mätresultaten, de kunde också visa att den resulterande strålningen kommer från titanfoliens yta och inte i materialet.

"Att kunna utföra denna form av ytspektroskopi i XUV -området i laboratorieskala öppnar helt nya perspektiv. Till exempel, kemiska processer på ytor eller vid dolda gränssnitt kan nu studeras ur en atoms perspektiv i annars komplexa kemiska miljöer, "säger professor Michael Zürch från University of California, beskriver betydelsen av resultatet. Vidare, den korta varaktigheten av de använda pulserna möjliggör undersökning av dynamiska processer vid gränssnitt, sådana som uppstår under laddning och urladdning av batterier.