En ny teknik för att visualisera de snabbt föränderliga elektroniska strukturerna av material i atomskala när de vrider sig, tumla och vandra över nanovärlden tar form vid California Institute of Technology. Där, forskare har för första gången framgångsrikt kombinerat två befintliga metoder för att visualisera den strukturella dynamiken i en tunn film av grafit.

Beskrev den här veckan i tidskriften Structural Dynamics, från AIP Publishing och American Crystallographic Association, deras tillvägagångssätt integrerade en mycket specifik strukturanalysteknik känd som "core-loss spectroscopy" med en annan metod som kallas ultrasnabb fyrdimensionell (4-D) elektronmikroskopi – en teknik som banat väg för Caltech-laboratoriet, som leds av Nobelpristagaren Ahmed Zewail.

I kärnförlustspektroskopi, höghastighets sonderande elektroner kan selektivt excitera kärnelektroner för en specifik atom i ett material (kärnelektroner är de som är tätast bundna till atomkärnan). Mängden energi som kärnelektronerna får ger insikt i den lokala elektroniska strukturen, men tekniken är begränsad i den tidsupplösning den kan uppnå - traditionellt för långsam för snabba katalytiska reaktioner. 4-D elektronmikroskopi avslöjar också materialets strukturella dynamik över tid genom att använda korta pulser av elektroner med hög energi för att sondera prover, och den är konstruerad för ultrasnabb tidsupplösning.

Genom att kombinera dessa två tekniker kunde teamet exakt spåra lokala förändringar i elektronisk struktur över tid med ultrasnabb tidsupplösning.

"I det här arbetet, vi demonstrerar för första gången att vi kan sondera djupa kärnelektroner med ganska höga bindningsenergier som överstiger 100 eV, sa Renske van der Veen, en av författarna till den nya studien. "Vi är utrustade med ett ultrasnabbt sonderingsverktyg som kan undersöka, till exempel, avslappningsprocesserna i fotokatalytiska nanopartiklar, fotoinducerade fasövergångar i nanoskala material eller laddningsöverföringsdynamiken vid gränssnitt. "

Kombinera två tekniker på en bänkskiva

Att integrera de två teknikerna visade sig vara utmanande. Eftersom elektroner stöter bort varandra, det finns bara så många elektroner som kan packas i en puls. När du förkortar varje puls för att öka tidsupplösningen, varje puls innehåller då färre elektroner, och chansen för interaktion mellan de sonderande elektronerna och kärnelektronerna minskar. Särskilt vid de höga energinivåer som krävs för att excitera de djupa kärnelektronerna (1:a och 2:e elektronskal), "signalen från många elektronpaket måste integreras under lång tid, "förklarade van der Veen.

Forskarna testade sin teknik på tunna filmer av grafit, demonstrerar att laserexcitation gör att kol-kolbindningarna i strukturen expanderar och energigapet π-π* krymper på pikosekund (en biljondels sekund) tidsskalan.

Kärnförlustspektroskopi liknar på vissa sätt röntgenabsorptionsspektroskopi, men det har några viktiga fördelar. "Med hjälp av röntgenstrålar, studiet av individuella nanoobjekt och in situ atomisk skala avbildning av material är fortfarande ganska utmanande. I det här avseendet, ultrasnabb kärnförlustspektroskopi i elektronmikroskopi ger en enorm fördel. Imaging, diffraktion och spektroskopi är alla kombinerade inom samma bordsuppsättning; kompletterande information om samma prov kan lätt erhållas, "sade van der Veen.

Förmågan att visualisera den ultrasnabba dynamiken hos enskilda atomer har breda tillämpningar över vetenskapliga discipliner, från materialvetenskap till biologi. Forskarna hoppas att framtida utvecklingar inom "pulserade elektronkällor och detektionsmetoder" kommer att göra det möjligt för deras teknik att användas i mer avancerade experiment.