Gli elettroni ad alta energia accoppiati a un laser sono stati usati per sondare il movimento atomico indotto in un sottile film d'oro. Un rilevatore bidimensionale ha misurato l'intensità e la direzione degli elettroni diffusi dagli atomi d'oro. La variazione misurata nella diffusione degli elettroni con e senza esposizione al raggio laser (il laser eccita gli atomi, aumentando le loro vibrazioni) è mostrato nell'immagine in alto. La dispersione è più forte nella serie regolare di macchie blu scuro nell'immagine associata alla posizione media degli atomi nella loro serie cristallina. La regione nebbiosa, o macchiolina, attorno a un forte picco saturo (in basso a destra) viene confrontato con un calcolo (in basso a sinistra) della diffusione diffusa dipendente dalla direzione relativa al movimento termico collettivo degli atomi. Tali misurazioni sono importanti per comprendere gli stati energetici e il trasporto termico nei materiali, fondamentali per molte tecnologie, come i dispositivi termoelettrici. Credito:Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Una nuova tecnica ultraveloce, utilizzando elettroni ad alta energia accoppiati a una pompa laser, ha rivelato approfondimenti sulla dinamica vibrazionale atomica in una pellicola sottile d'oro riscaldata al laser. Questa tecnica ha misurato direttamente lo spettro fononico (pacchetti quantizzati di energia relativi alle vibrazioni del reticolo atomico) ed esplorato il trasferimento di energia dagli elettroni eccitati dal laser alle vibrazioni atomiche del reticolo atomico. Questo lavoro dimostra che gli strumenti di diffrazione elettronica ultraveloci specializzati possono aggiungere alla suite di tecniche di pompa/sonda laser risolte nel tempo in grado di esplorare le eccitazioni nei materiali.
L'eccitazione ultraveloce e il trasferimento di energia su scala atomica sono importanti nelle transizioni di fase, reazioni chimiche, e macroscopico flusso di energia. Gli intervalli di tempo vibrazionali rilevanti si verificano in femtosecondi (sposta il punto decimale per 1,0 secondo 15 volte a sinistra). Questa ricerca ha stabilito l'utilità di questa tecnica per risolvere stati vibrazionali mutevoli, la cui comprensione potrebbe far progredire una serie di applicazioni dalla superconduttività alle transizioni di fase indotte dal laser.
Le interazioni degli elettroni e degli atomi in cui risiedono sono importanti per una serie di fenomeni, dal trasporto fondamentale di elettroni e spin, alle transizioni di fase indotte dal laser. La maggior parte delle tecniche sperimentali sono limitate nella loro capacità di investigare le vibrazioni atomiche (fononi) perché, come un termometro, fanno la media su tutti gli stati vibrazionali nel materiale. Ora la ricerca condotta dallo SLAC National Accelerator Laboratory ha misurato direttamente l'intera gamma di frequenze e il comportamento dipendente dal tempo dei fononi in una pellicola sottile d'oro riscaldata al laser. Nella configurazione sperimentale, elettroni ad alta energia sono stati emessi da un elettrodo da un impulso laser ultraveloce. Entrambi gli impulsi, elettroni e luce, continuato al campione. L'impulso laser è arrivato per primo ed ha eccitato gli elettroni residenti nel materiale d'oro, che è stato poi sondato disperdendo il successivo impulso di elettroni in un rivelatore. La tecnica della pompa/sonda, che coinvolge la sorgente di diffrazione elettronica ultraveloce di nuova concezione, misurato le posizioni degli atomi in funzione del tempo controllato e variabile tra pompa e sonda.
L'analisi delle vibrazioni atomiche aiuta a determinare come l'energia luminosa, prima assorbito dagli elettroni attorno agli atomi, alla fine viene trasferito al moto degli atomi stessi. L'analisi ha mostrato tempi di accoppiamento variabili tra le eccitazioni di elettroni e fononi. I risultati hanno confermato che l'energia si trasferisce più velocemente alle vibrazioni a frequenza più elevata rispetto ai fononi a frequenze più basse. Questo nuovo strumento può essere utilizzato per comprendere il trasporto di energia nella sua lunghezza e scala temporale più brevi e quindi far progredire la comprensione dei fenomeni dei materiali in cui l'energia termica è di fondamentale importanza, come nei dispositivi superconduttori e termoelettrici.
