Инновационное исследование шведско-немецкой группы позволило отследить динамику сверхбыстрых электронов с беспрецедентной точностью, открыв новые возможности для исследований наноматериалов и солнечных батарей. Когда электроны движутся через молекулы или полупроводники, их временные рамки невероятно коротки. Шведско-немецкая исследовательская группа, в которую входит физик доктор Ян Фогельсанг из Ольденбургского университета, добилась значительного прогресса в лучшем понимании этих сверхбыстрых процессов: исследователи использовали лазерные импульсы для отслеживания динамики электронов, высвобождаемых с поверхности кристаллов оксида цинка, с пространственным разрешением в нанометры и временным разрешением, которое ранее было недостижимо.
Благодаря этим экспериментам команда продемонстрировала применимость этого метода для лучшего понимания поведения электронов в наноматериалах и новых солнечных элементах, а также в других приложениях. В исследовании, которое было опубликовано в научном журнале Advanced Physics Research, приняли участие исследователи из Лундского университета, в том числе профессор Энн Леуилье, одна из трёх прошлогодних лауреатов Нобелевской премии по физике.
В эксперименте команда объединила специальный тип электронного микроскопа, называемый светоэмиссионной электронной микроскопией (PEEM), с методами аттосекундной физики. Ученые использовали очень короткие световые импульсы, чтобы возбудить электроны и записать их последующее поведение. «Этот процесс очень похож на вспышку в фотографии, снимающей быстрое движение. Аттосекунды очень короткие, всего одна миллиардная доля секунды», — объясняет Фогельсанг.
Как сообщает команда, подобные эксперименты до сих пор не смогли достичь временной точности, необходимой для отслеживания движения электронов. Эти крошечные элементарные частицы движутся гораздо быстрее, чем гораздо более крупные и тяжелые ядра атомов. Однако в этом исследовании ученым удалось объединить два технически сложных метода: фотоэмиссионную электронную микроскопию и аттосекундную микроскопию, без ущерба для пространственного или временного разрешения. «Теперь мы наконец можем использовать аттосекундные импульсы для детального изучения взаимодействия света и материи на атомном уровне и в наноструктурах», — сказал Фогельсанг.
Технологические прорывы и будущие исследования
Одним из факторов этого прогресса стало использование источника света, способного производить большое количество аттосекундных импульсных вспышек в секунду — в данном случае 200 000 световых импульсов в секунду. Каждая вспышка высвобождает в среднем один электрон с поверхности кристалла, что позволяет исследователям изучать их поведение, не влияя друг на друга. Чем больше импульсов генерируется в секунду, тем легче извлечь небольшие измерительные сигналы из набора данных.
Лаборатория Анны Л'Юйе в Лундском университете в Швеции, где проводились эксперименты для этого исследования, является одной из немногих исследовательских лабораторий в мире, располагающих техническим оборудованием, необходимым для таких экспериментов. Фогельсанг, который работал научным сотрудником в Лундском университете с 2017 по 2020 год, в настоящее время создает аналогичную экспериментальную лабораторию в Ольденбургском университете. В будущем обе команды планируют продолжить исследования, изучающие поведение электронов в различных материалах и наноструктурах.
Источник составления: ScitechDaily.