Laserljus kan radikalt förändra egenskaperna hos fasta material, vilket gör dem supraledande eller magnetiska inom miljondelar av en miljarddels sekund. Det intensiva ljuset orsakar grundläggande, omedelbara förändringar i ett fast ämne genom att "skaka" dess atomära gitterstruktur och flytta elektroner. Men vad exakt händer på den elementära nivån? Hur rör sig dessa atomer och elektroner egentligen?

Nu har ett teoriteam vid Max Planck-institutet för materiens struktur och dynamik i Hamburg hittat ett nytt sätt att belysa dessa atomiska rörelser. I PNAS beskriver forskarna hur en laserpuls genererar ljusemission vid högre frekvenser från materialet, så kallade högre övertoner. Detta högenergiljus förblir dock inte detsamma utan det ändras med varje rörelse av gallret. När de höga övertonerna ändras i intensitet, ger de "ögonblicksbilder" av atomernas och elektronernas rörelser vid varje exakt ögonblick.

Teamet studerade ett monolager av hexagonal bornitrid (hBN) bara en atom tjockt, vars gitter kan upphetsas att vibrera på tidsskalor av tiotals femtosekunder. En första "pump" laserpuls träffar materialet, vilket gör att atomerna rör sig unisont. Därefter exciterar en andra infraröd laserpuls elektronerna ytterligare, så att de orsakar emission av ljus vid nya frekvenser - de höga övertonerna. Dessa innehåller den underliggande informationen om gittervibrationerna (även kända som fononer). Genom att analysera dem får forskare detaljerade nya insikter om dessa atomära rörelser.

Publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , representerar teamets resultat ett stort steg framåt för att förstå de grundläggande förändringarna i ett fast material medan det bestrålas av en intensiv laser. Det är också en mycket effektiv metod eftersom forskare hittills behövt mycket mer avancerade ljuskällor för att observera dessa elementära rörelser.

Dessutom visade teamet att, när atomerna börjar vibrera, förändras interaktionen mellan materialet och den initiala laserpulsen med själva laserns fas. Detta innebär att forskare kan fastställa exakt vilken rörelse i gittret som utlöstes av vilken fas i laserns optiska cykel, som om de ställde in ett stoppur på just det ögonblicket i tiden. Med andra ord:Teamets arbete har producerat en mycket avancerad spektroskopisk teknik med extrem tidsupplösning. Inom detta tillvägagångssätt kan gitterrörelser kartläggas ner till en enda femtosekund – men utan behov av högenergiröntgenstrålar eller attosekundspulser, som är mycket svårare att använda.

"Den huvudsakliga effekten av detta arbete är att vi bildar en utgångspunkt för att förstå hur fononer spelar en roll i icke-linjär interaktion med lätt materia", säger huvudförfattaren Ofer Neufeld från MPSD Theory Department. "Det här tillvägagångssättet låter oss undersöka femtosekunds strukturella dynamik i fasta ämnen, inklusive fasövergångar, klädda faser av materia och även koppling mellan elektroner och fononer." + Utforska vidare

Högenergielektroner synkroniserade med ultrasnabb laserpuls för att undersöka hur vibrationstillstånd hos atomer förändras över tiden