Ytan på ett material har ofta egenskaper som skiljer sig mycket från egenskaperna inom materialet. Till exempel, en icke-ledande kristall, som faktiskt inte uppvisar någon magnetism, kan visa magnetisering begränsad till dess yta på grund av hur atomerna är ordnade där. Dessa distinkta egenskaper vid gränssnitt och ytor av material spelar ofta en nyckelroll i utvecklingen av nya funktionella komponenter såsom optoelektroniska chips eller sensorer och är därför föremål för omfattande forskning. En internationell forskargrupp från universitetet i Göttingen, Max Planck Institute for Biophysical Chemistry Göttingen och National Research Council Canada har nu lyckats undersöka ytorna på transparenta kristaller med kraftfull bestrålning från lasrar. Resultaten av studien publicerades i tidskriften Naturkommunikation .

Forskarna beskriver sin metod, som enbart förlitar sig på ljus, för att bestämma elektriska och magnetiska egenskaper på ytor. Denna nya metod kan spela en viktig roll i undersökningen av transparenta, icke-ledande material, eftersom etablerade metoder som använder elektroner ofta upplever experimentella begränsningar på grund av låg konduktivitet, bland andra svårigheter. Användningen av ljus hjälper till att komma runt dessa begränsningar:när ljusstrålar träffar en materialyta, till exempel en glasruta, de återspeglas i gränssnittet, bryts och absorberas i materialet. Dessa effekter, som kan observeras i vardagen, är resultatet av växelverkan mellan det svaga ljusfältet och atomerna och elektronerna i det bestrålade materialet. Vid starkare ljusfält, som uppnås med laser, ytterligare effekter uppstår, som kan, till exempel, generera högre ljusfrekvenser – känd som hög harmonisk strålning. Dessa effekter är ofta beroende av ljusfältets oscillationsriktning i förhållande till atomarrangemanget i materialet.

"Vi drar fördel av detta beroende när vi genererar hög harmonisk strålning för att få insikter i egenskaperna vid och nära ytan av transparenta material, " säger försteförfattare och doktorand Tobias Heinrich från Fysiska fakulteten vid Göttingen universitet. "Ljusfältet vi använder är sammansatt av två laserpulser som roterar i motsatta riktningar vid två olika frekvenser, och detta resulterar i ett klöverbladsformat symmetriskt fält." Dessa skräddarsydda ljusfält kan anpassas till materialets atomära arrangemang för att styra genereringen av de höga övertonerna.

"Vi visar att denna kontroll kan användas för att studera magnetisering vid ytan av magnesiumoxid, " förklarar Dr Murat Sivis, studieledaren. Beroende på ljusfältets rotationsriktning – även kallad kiralitet – absorberas det genererade ultravioletta ljuset i olika grader vid gränssnittet. "För olika material som faktiskt inte uppvisar magnetisering eller elektrisk ledningsförmåga, dessa egenskaper vid ytan har förutspåtts i teorin, " sa Sivis. "I vår studie, vi visar att det nu är möjligt att undersöka sådana fenomen med bara optiska metoder, förmodligen även på mycket korta tidsskalor." Forskarna hoppas också få nya insikter om de elektroniska egenskaperna hos andra kirala material, som studien visar med exemplet med den spiralformade kristallstrukturen hos kvarts. Känsligheten för kirala fenomen på ytor skulle potentiellt kunna öppna upp nya möjligheter för forskning om innovativa funktionsmaterial.