Negli esperimenti allo SLAC, l'intensa luce laser (rossa) che brilla attraverso un cristallo di ossido di magnesio ha eccitato gli elettroni di "valenza" più esterni degli atomi di ossigeno al suo interno. Quando questi elettroni colpiscono gli atomi vicini, le collisioni hanno generato luce di energia molto più alta e lunghezze d'onda più corte (blu) attraverso un processo chiamato alta generazione di armoniche. La rotazione del cristallo e l'analisi della luce generata hanno rivelato la densità degli elettroni di valenza dell'atomo vicino, che prima non si poteva vedere direttamente. Credito:SLAC National Accelerator Laboratory
Potrebbe non essere saggio giudicare un libro dalla copertina, ma puoi dire molto su un materiale dagli elettroni più esterni nei suoi atomi.
"Questi elettroni più esterni, noti come elettroni di valenza, sono gli attori più importanti nella formazione dei legami chimici e in realtà definiscono quasi tutte le proprietà di un solido:elettriche, termico, conduttivo, " disse Shambhu Ghimire, uno scienziato dello staff associato presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia.
Ora Ghimire e due colleghi dello Stanford PULSE Institute hanno inventato un nuovo modo per sondare gli elettroni di valenza degli atomi in profondità all'interno di un solido cristallino.
In un rapporto oggi in Fisica della natura , descrivono l'uso della luce laser per eccitare alcuni degli elettroni di valenza, guidarli all'interno del cristallo e farli rimbalzare su altri atomi. Questo produce esplosioni di luce ad alta energia che sono invisibili ai nostri occhi, ma portano indizi sulla struttura atomica e sulla funzione del materiale.
"Questo cambierà il mondo dell'imaging dell'interno dei solidi cristallini, "Ghimir ha detto, "proprio come la microscopia a scansione a effetto tunnel, o STM, cambiato l'imaging su scala atomica delle superfici."
Un nuovo modo di guardare gli atomi nei solidi
Inventato all'inizio degli anni '80, STM è stato un metodo rivoluzionario che ha permesso agli scienziati di realizzare le prime immagini dei singoli atomi e dei loro legami. È stato insignito del Premio Nobel per la fisica nel 1986.
Ma STM rileva gli elettroni di valenza solo dai primi due o tre strati di atomi in un materiale. Un flusso di quegli elettroni nella punta dello strumento crea una corrente che gli permette di misurare la distanza tra la punta e la superficie, tracciando le protuberanze in cui spuntano gli atomi e le valli tra di loro. Questo crea un'immagine degli atomi e fornisce informazioni sui legami che li tengono insieme.
Ricercatore post-dottorato Yong Sing You, sinistra, e lo scienziato dello staff associato Shambhu Ghimire nel laboratorio laser PULSE allo SLAC dove sono stati condotti gli esperimenti. Credito:SLAC National Accelerator Laboratory
Ora la nuova tecnica darà agli scienziati lo stesso livello di accesso agli elettroni di valenza in profondità all'interno del solido.
Gli esperimenti, condotto in un laboratorio laser SLAC dal ricercatore postdottorato PULSE Yong Sing You, coinvolti cristalli di ossido di magnesio o magnesia, un minerale comune usato per fare il cemento, preservare i libri delle biblioteche e ripulire il suolo contaminato, tra una miriade di altre cose.
Questi cristalli hanno anche la capacità di spostare la luce laser in arrivo a lunghezze d'onda molto più corte ed energie più elevate - proprio come premere su una corda di chitarra produce una nota più alta - attraverso un processo chiamato alta generazione di armoniche, o HHG.
Dirigere gli elettroni per generare luce
In questo caso, gli scienziati hanno accuratamente regolato il raggio laser infrarosso in ingresso in modo che ecciti gli elettroni di valenza negli atomi di ossigeno del cristallo. Quegli elettroni oscillavano, come corde vibranti di chitarra, e ha generato luce di lunghezze d'onda molto più corte - nell'estremo intervallo dell'ultravioletto - attraverso HHG.
Ma quando hanno regolato la polarizzazione del raggio laser per guidare gli elettroni eccitati lungo traiettorie diverse all'interno del cristallo, hanno scoperto che HHG ha avuto luogo solo quando un elettrone ha colpito un atomo vicino, ed era più efficiente quando ha colpito il punto morto dell'atomo. Ulteriore, la lunghezza d'onda della luce generata armonicamente in uscita - che era da 13 a 21 volte più corta della luce che entrava - ha rivelato la densità degli elettroni di valenza dell'atomo vicino, la dimensione dell'atomo e anche se fosse un atomo di ossigeno o magnesio.
"È difficile concentrarsi sugli elettroni di valenza con gli attuali metodi di misurazione della densità di carica degli elettroni, che tipicamente utilizzano raggi X o diffrazione elettronica, ", ha affermato il coautore dello studio David Reis, professore associato presso SLAC e Stanford e vicedirettore di PULSE. "Quindi dimostrare che possiamo farlo con una sensibilità su scala atomica in un esperimento laser da tavolo è una pietra miliare importante".
Alan Fritto, direttore della divisione per la scienza e la tecnologia laser presso il laser a raggi X Linac Coherent Light Source di SLAC, non è stato coinvolto nell'esperimento ma ha fatto i complimenti "al team che ha sviluppato questa tecnica e che continua a fare ricerche entusiasmanti e interessanti con essa".
Sebbene questo approccio possa essere limitato ai materiali che possono generare luce attraverso HHG, Egli ha detto, "può ancora dirti molto sulla struttura elettronica all'interno di quei solidi, e in linea di principio potrebbe darci una migliore comprensione di altri materiali che non hanno la stessa risposta. Comprendere sistemi semplici come questo crea le basi per comprendere sistemi più complessi."
