I samarbete med Center for Nano-Optics vid Georgia State University i Atlanta, forskare från Laboratory for Attosecond Physics vid Max Planck Institute of Quantum Optics och Ludwig-Maximilians-Universität har gjort simuleringar av de processer som sker när ett lager av kolatomer bestrålas med starkt laserljus.

Elektroner som träffas av starka laserpulser ändrar sin plats på ultrakorta tidsskalor, dvs inom ett par attosekunder (1 as =10-18 sek). I samarbete med Center for Nano-Optics vid Georgia State University i Atlanta (USA), forskare vid Laboratory for Attosecond Physics (LAP) vid Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) och Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) har gjort simuleringar av processer som äger rum när elektroner i ett lager av kolatomer interagerar med starka Laser ljus. Syftet med dessa simuleringar är att få insikt i ljus-materia-interaktioner i mikrokosmos. En bättre förståelse för de underliggande fysiska processerna kan leda till ljusvågsdriven elektronik som skulle fungera vid ljusfrekvenser, vilket är hundra tusen gånger snabbare än den senaste tekniken. Grafen med dess exceptionella egenskaper anses vara mycket väl lämpat som exempelsystem för prototypexperiment.

Ju närmare vi observerar elektronernas rörelse, desto bättre förstår vi deras interaktion med ljus. Många fenomen som uppstår i kondenserad materia på grund av stark-fält ljus-materia interaktion är ännu inte helt förstådda. Eftersom de underliggande processerna sker inom femto- eller till och med attosekunder, det är svårt att komma åt detta intraatomära kosmos:en femtosekund är en miljondels miljarddels sekund; en attosekund är till och med tusen gånger kortare. Experimentella metoder som ska klara denna utmaning befinner sig i ett utvecklingsskede. Dock, det är möjligt att undersöka dessa processer med hjälp av numeriska simuleringar.

Teamet av forskare från LAP och Georgia State University har beräknat vad som händer med elektroner i grafen som interagerar med en intensiv laserpuls. Laserfältet exciterar och förskjuter elektroner, ändring av laddningstäthetsfördelningen. Under denna process, en extremt kort elektronpuls sprids från sonden. Diffraktionskartan för dessa materiavågor återspeglar hur elektrondensitetsfördelningen inuti grafenskiktet har förändrats på grund av laserpulsen.

Dessa simuleringar har avslöjat komplexa samband mellan excitationen av valenselektroner av ljus och deras efterföljande ultrasnabba rörelse inuti och mellan kolatomerna i grafenskiktet. Valenselektroner är svagt bundna och delas mellan närliggande atomer. Forskarna undersökte deras rörelse genom att identifiera mikroskopiska volymer som representerar olika kemiska bindningar och analysera den elektriska laddningen i dessa volymer. Under en laserpuls, det sker en betydande omfördelning av avgiften; på samma gång, förskjutningen av elektronerna som orsakas av laserpulsens elektromagnetiska fält är mycket liten, mindre än en pikometer (10-12 m). Utöver det, beräkningarna visade att den ljusinducerade elektriska strömmen har en inhomogen mikroskopisk fördelning, flyter längs de kemiska bindningarna mellan kolatomerna.

Dessa simuleringar bör hjälpa nya ultrasnabba elektrondiffraktionsmätningar. "Vi kommer möjligen att upptäcka nya fenomen, och kanske observera avvikelser från våra förutsägelser", påpekar projektledaren Vladislav Yakovlev. "Men vi är ganska säkra på att en hel del fundamental fysik väntar på att bli observerad i utmanande men genomförbara mätningar i atomskala."