Absorptionen av energi från laserljus av fria elektroner i en vätska har visats för första gången. Tills nu, denna process observerades endast i gasfasen. Resultaten, leds av Graz tekniska universitet, öppna nya dörrar för ultrasnabb elektronmikroskopi.

Undersökningen och utvecklingen av material beror helt på förmågan att observera de minsta föremålen på snabbaste tidsskalor. Den nödvändiga rumsliga upplösningen för undersökningar i (sub-)atomområdet kan uppnås med elektronmikroskopi. För de snabbaste processerna, dock, fortsätter inom några femtosekunder (kvadrilliondelar av en sekund), tidsupplösningen för konventionella elektronmikroskop är otillräcklig. För att förbättra tidslängden för elektronpulser, elektroner skulle behöva väljas inom ett kortare tidsfönster - i analogi med en kameraslutare, som styr exponeringstiden vid fotografering.

I princip, detta tidsmässiga val är möjligt med extremt korta laserpulser genom en process som kallas laserassisterad elektronspridning (LAES). I denna process, elektroner kan absorbera energi från ljusfältet under kollisioner med atomer i provet som undersöks. "Strukturinformation tillhandahålls av alla elektroner, men de som har en högre energinivå kan tilldelas det tidsfönster i vilket ljuspulsen var närvarande. Med denna metod, det är möjligt att välja ett kort tidsfönster från den långa elektronpulsen och därmed förbättra tidsupplösningen, " förklarar Markus Koch, professor vid Institutet för experimentell fysik vid Graz tekniska universitet. Än så länge, dock, LAES-processer har bara observerats i gasfasen, trots deras utredning i cirka 50 år.

Koch och hans team, i samarbete med forskare från Photonics Institute vid Wiens tekniska universitet och Institute of Chemistry vid Tokyo Metropolitan University, har nu för första gången visat att laserassisterad elektronspridning även kan observeras i kondenserad materia, speciellt i superfluid helium.

Superfluid helium leder till framgång

TU Graz-forskarna utförde experimentet i en superfluid heliumdroppe med få nanometer i diameter (3-30 nm), där de laddade enstaka atomer (indium eller xenon) eller molekyler (aceton) som fungerade som en elektronkälla - ett expertområde vid institutet. "De fria elektronerna kan röra sig nästan utan friktion i droppen och absorbera mer energi i ljusfältet än de förlorar vid kollisioner med heliumatomerna, säger Leonhard Treiber, doktorsexamen elev som ansvarar för experimentet. Den resulterande accelerationen möjliggör observation av mycket snabbare elektroner.

Experimenten kunde tolkas i samarbete med Markus Kitzler-Zeiler, en expert för processer inom starkt fält vid TU Wien, och LAES-processen bekräftades genom simuleringar av Reika Kanya från Tokyo Metropolitan University. Resultaten publicerades i Naturkommunikation .

I framtiden, LAES-processen kommer att studeras inom tunna filmer av olika material, produceras även inuti heliumdroppar, för att bestämma viktiga parametrar som den optimala filmtjockleken eller den gynnsamma intensiteten hos laserpulserna för applicering i ett elektronmikroskop.