När elektroner rör sig inom en molekyl eller halvledare sker detta på ofattbart korta tidsskalor. Ett svenskt-tyskt team, inklusive Dr Jan Vogelsang från universitetet i Oldenburg, har nu gjort betydande framsteg mot en bättre förståelse av dessa ultrasnabba processer:Forskarna kunde spåra dynamiken hos elektroner som frigörs från ytan av zinkoxidkristaller med hjälp av laserpulser med rumslig upplösning i nanometerområdet och med tidigare ouppnådd tidsupplösning.
Med dessa experiment visade teamet användbarheten av en metod som kunde användas för att bättre förstå elektronernas beteende i nanomaterial och nya typer av solceller, bland andra applikationer. Forskare från Lunds universitet, inklusive professor Dr. Anne L'Huillier, en av förra årets tre nobelpristagare i fysik, var involverade i studien som publicerades i tidskriften Advanced Physics Research .
I sina experiment kombinerade forskargruppen en speciell typ av elektronmikroskopi känd som fotoemissionselektronmikroskopi (PEEM) med attosecond-fysikteknologi. Forskarna använder extremt kortvariga ljuspulser för att excitera elektroner och registrera deras efterföljande beteende. "Processen är ungefär som en blixt som fångar en snabb rörelse i fotografering," förklarade Vogelsang. En attosekund är otroligt kort – bara en miljarddels miljarddels sekund.
Som laget rapporterar hade liknande experiment hittills misslyckats med att uppnå den tidsmässiga noggrannhet som krävs för att spåra elektronernas rörelse. De små elementarpartiklarna susar runt mycket snabbare än de större och tyngre atomkärnorna. I den aktuella studien kombinerade forskarna dock de två tekniskt krävande teknikerna, fotoemissionselektronmikroskopi och attosekundsmikroskopi, utan att kompromissa med vare sig den rumsliga eller tidsmässiga upplösningen.
"Vi har nu äntligen nått den punkt där vi kan använda attosekundspulser för att i detalj undersöka interaktionen mellan ljus och materia på atomnivå och i nanostrukturer," sa Vogelsang.
En faktor som möjliggjorde detta framsteg var att använda en ljuskälla som genererar en särskilt stor mängd attosekundsblixtar per sekund – i det här fallet 200 000 ljuspulser per sekund. Varje blixt släppte i genomsnitt en elektron från kristallens yta, vilket gjorde att forskarna kunde studera deras beteende utan att de skulle påverka varandra. "Ju fler pulser per sekund du genererar, desto lättare är det att extrahera en liten mätsignal från en datauppsättning", förklarade fysikern.
Anne L'Huilliers laboratorium vid Lunds universitet (Sverige), där experimenten för denna studie utfördes, är ett av få forskningslaboratorier i världen med den tekniska utrustning som krävs för sådana experiment.
Vogelsang, postdoktor vid Lunds universitet från 2017 till 2020, håller just nu på att inrätta ett liknande experimentlaboratorium vid Oldenburgs universitet. I framtiden planerar de två teamen att fortsätta sina undersökningar och utforska elektronernas beteende i olika material och nanostrukturer.
Mer information: Jan Vogelsang et al, Time-Resolved Photoemission Electron Microscopy on a ZnO Surface Using an Extreme Ultraviolet Attosecond Pulse Pair, Advanced Physics Research (2023). DOI:10.1002/apxr.202300122
Tillhandahålls av Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg
