Ультрабыстрая дифракция электронов фиксирует скручивание атомных слоёв в ответ на свет
Когда интенсивный лазерный импульс попадает на неподвижный электрон, он совершает колебательные движения с частотой светового поля. Однако это движение затухает после импульса, и электрон снова останавливается в исходном положении. Если же световое поле изменяет свою интенсивность вдоль траектории электрона, электрон накапливает дополнительное дрейфовое движение с каждым колебанием, которое сохраняется даже после импульса. Пространственная интенсивность света действует как склон, по которому электрон скользит.
Этот эффект, известный десятилетиями, называется пондеромоторным ускорением. Однако из-за низкой пространственной зависимости интенсивности даже в сфокусированных световых лучах этот эффект скольжения под действием света можно чётко наблюдать только для длительных лазерных импульсов с множеством колебаний поля.
Недавнее исследование
В недавнем исследовании учёные продемонстрировали выраженное пондеромоторное ускорение всего за одно колебание света. Ключевым приёмом стало использование острых металлических игл с наконечниками, которые демонстрируют чрезвычайно сильную пространственную вариацию интенсивности света при освещении лазерным светом. Работа опубликована в журнале Nature Physics.
В экспериментах электроны, высвобождаемые светом, впервые могли быть отнесены к отдельным циклам светового поля. Для этого в лабораториях исследовательской группы под руководством профессора доктора Петера Хоммельхоффа на кафедре лазерной физики в FAU с помощью специального процесса были изготовлены вольфрамовые иглы с особенно острыми кончиками размером всего в несколько нанометров и освещены оптическими лазерными импульсами, содержащими всего около трёх колебаний поля.
«Обычно нас особенно интересуют быстрые электроны, высвобождаемые из наношипов, которыми мы можем точно управлять с помощью формы волны света», — объясняет доктор Джонас Хаймерл, научный сотрудник кафедры лазерной физики. «Известно, что для острых наконечников пондеромотивное движение полностью подавлено. Удивительно, но именно в сигнале медленных электронов мы обнаружили ранее неизвестный и выраженный полосатый узор. Наши эксперименты даже выявили усиление пондеромоторных эффектов для медленных электронов».
Для сравнения экспериментальных данных исследовательская группа под руководством профессора доктора Томаса Феннеля в Университете Ростока провела обширное численное моделирование, которое количественно описывает эффект пондеромоторного ускорения за одно колебание света и демонстрирует далеко идущие последствия для характеристики и управления сверхбыстрой динамикой электронов.
«Пондеромоторное ускорение обычно описывается как эффект, усреднённый по многим световым колебаниям. Увлекательным аспектом наших результатов является то, что теперь это можно использовать для измерения процессов в масштабе доли светового колебания», — объясняет Анна Хёрциг, докторант в группе Феннеля.
«Хотя фундаментальная физика структур, индуцированных ближним полем, в принципе может быть объяснена с помощью классической механики, они открывают новый подход к характеристике квантовых эффектов процесса излучения», — добавляет Хёрциг.
Понимание, полученное в результате исследований, стало возможным благодаря отличному взаимодействию между экспериментом и теорией и может расширить фундаментальное понимание фотоэмиссии и сделать возможным новые приложения в сверхбыстрой метрологии и оптоэлектронике.
Предоставлено
Friedrich–Alexander University Erlangen–Nürnberg
Больше из Optics
Световой импульс задаёт темп в материале
Атомы в кристаллическом листе толщиной всего в несколько атомов начинают двигаться — не хаотично, а в согласованном ритме, скручиваясь и раскручиваясь синхронно, как танцоры, следующие ритму.
Эта атомная хореография, запущенная точно рассчитанными вспышками энергии, происходит слишком быстро, чтобы человеческий глаз или даже традиционные научные инструменты могли это обнаружить. Вся последовательность разыгрывается примерно за триллионную долю секунды.
Чтобы увидеть это, исследователи из Корнелла и Стэнфордского университета обратились к сверхбыстрой дифракции электронов — методу, способному снимать материю в её самых быстрых временных масштабах. Используя прибор, созданный в Корнелле, и высокоскоростной детектор, команда запечатлела, как атомарно тонкие материалы реагируют на свет с динамическим скручивающим движением.
Их выводы, недавно опубликованные в Nature, открывают новые возможности для понимания и контроля поведения моирé-материалов — сложенных двумерных структур, необычные свойства которых можно настроить, просто слегка скрутив один слой поверх другого. Результаты дают представление о том, как свет однажды может быть использован для управления материалами в реальном времени, что имеет значение для будущих технологий в области сверхпроводимости, магнетизма и квантовой электроники.
«Люди давно знают, что, укладывая и скручивая эти атомарно тонкие слои, можно изменить поведение материала. Вы можете превратить его в сверхпроводник или заставить электроны вести себя по-новому», — сказал Джаред Макссон, профессор физики в Колледже искусств и наук и соавтор статьи. «Новым здесь является то, что мы динамически усиливаем этот поворот с помощью света и фактически наблюдаем за этим в реальном времени».
До сих пор исследователи не могли напрямую наблюдать, как эти слои физически реагируют на вспышку света. Но в этом исследовании команда Корнелла и Стэнфорда показала, что атомные слои могут на короткое время скручиваться более плотно, а затем расправляться, как свёрнутая лента, высвобождающая свою энергию.
«Раньше исследователи думали, что, как только вы сложите эти моирé-материалы под фиксированным углом, вся структура будет зафиксирована», — сказал соавтор Фанат Лю, руководитель проекта в Стэнфорде, который создал моирé-материалы для этого исследования. «Мы показали, что это определённо не так — атомы будут двигаться. Фактически атомы внутри каждой моирé-ячейки будут танцевать по кругу».
Чтобы запечатлеть этот мимолетный танец, исследователи использовали прибор для сверхбыстрой дифракции электронов, построенный и усовершенствованный в лаборатории Макссона, который запускает интенсивные импульсы электронов в образец сразу после того, как он был поражён лазерным импульсом. Этот метод накачки и зондирования показывает, как атомы смещаются с течением времени.
Ключом к успеху эксперимента стал высокоскоростной сверхчувствительный детектор, разработанный в Корнелле: детектор массива пикселей электронного микроскопа (EMPAD). Первоначально предназначенный для создания неподвижных изображений, EMPAD использовался по-новому, по сути, став сверхчувствительной кинокамерой для атомов.
«Большинство детекторов размыли бы сигнал», — сказал Макссон. «EMPAD позволил нам запечатлеть невероятно тонкие особенности. То, что мы искали, могло быть легко потеряно в шуме».
Пока Корнелл создавал инструменты и проводил эксперимент, специально разработанные материалы, использованные в исследовании, были получены из лаборатории Лю в Стэнфорде. «У нас не было бы возможности наблюдать это явление без сочетания понимания материалов с пониманием электронного пучка», — сказал Макссон. «Мы могли бы построить лучший в мире аппарат, но без подходящих материалов и опыта их изготовления это не произошло бы. Вот что сделало это сотрудничество с группой Фан так мощным».
Лю добавил: «Инструмент Джареда — единственный, который мог реально увидеть моирé-паттерн, а команда Макссона даже модифицировала его в реальном времени, чтобы сделать эксперимент возможным. Это было настоящее сотрудничество».
Профессор материаловедения в Стэнфорде Аарон Линденберг предоставил важные идеи для анализа данных, сказал Макссон. Сами данные были получены Кэмероном Дунканом, доктором философии 2022 года, когда он был докторантом в группе Макссона. Дункан продолжал играть центральную роль в анализе данных и восстановлении атомного движения по сложным дифракционным картинам.
«Мы первыми добились успеха в обнаружении сверхбыстрого моирé-сигнала, потому что мы настроили наше самодельное оборудование специально для повышения его дифракционной разрешающей способности», — сказал Дункан. «Было приятно видеть, что наша тяжёлая работа окупилась таким результатом».
Для будущей работы лаборатория Лю уже создала новый набор моирé-образцов, предназначенных для того, чтобы ещё больше расширить возможности сверхбыстрого инструмента Корнелла. Команды планируют следующий раунд экспериментов, чтобы увидеть, как разные материалы и углы скручивания реагируют на свет, работа, которая может углубить их понимание того, как активно контролировать квантовое поведение в реальном времени.
Предоставлено
Cornell University
Больше из Atomic and Condensed Matter
light intensity when illuminated with laser light. The work is published in the journal Nature Physics.»,»In experiments, the electrons released by the light could, for the first time, be assigned to individual cycles of the light field. For this purpose, tungsten needles with especially sharp tips only a few nanometers in size were produced in the laboratories of the research group led by Prof. Dr. Peter Hommelhoff at the Chair of Laser Physics at FAU using a special process and illuminated with optical laser pulses containing only around three field oscillations.»,»\»Typically, we are particularly interested in the fast electrons released from the nanospikes, which we can precisely control with the waveform of the light pulse,\» explains Dr. Jonas Heimerl, research associate at the Chair of Laser Physics.»,»\»For these, it is known that the ponderomotive motion is completely suppressed for sharp tips. Surprisingly, it was precisely in the signal of the slow electrons that we discovered a previously unknown and pronounced stripe pattern. Our experiments have even revealed an enhancement of the ponderomotive effects for the slow electrons.\»»,»To compare with the experimental data, the research group led by Prof. Dr. Thomas Fennel at the University of Rostock conducted extensive numerical simulations that quantitatively describe the ponderomotive acceleration effect in a single light oscillation and demonstrate the far-reaching implications for the characterization and control of ultrafast electron dynamics.»,»\»Ponderomotive acceleration is usually described as an effect averaged over many light oscillations. A fascinating aspect of our findings is that this can now be used to measure processes on the timescale of a fraction of a light oscillation,\» explains Anne Herzig, a doctoral candidate in Fennel’s group.»,»\»Although the fundamental physics of the near-field-induced stripe structures can in principle be explained with classical mechanics, they open up a new approach to characterizing the quantum effects of the emission process,\» adds Herzig.»,»The insights gained were only possible thanks to the excellent interplay between experiment and theory and have the potential to expand the fundamental understanding of photoemission and enable new applications in ultrafast metrology and optoelectronics.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tFriedrich–Alexander University Erlangen–Nurnberg\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник