Edbert Jarvis Sie (a destra) e Timm Rohwer del gruppo di ricerca Gedik mostrano la camera diagnostica dalla loro configurazione XUV ARPES risolta nel tempo. I ricercatori del MIT hanno lavorato con produttori di apparecchiature scientifiche all'avanguardia per completare la loro configurazione e spingere i confini della fisica della materia condensata. Credito:Ilkem Ozge Ozel
Una nuova tecnica sviluppata da un team del MIT può mappare l'intera struttura elettronica delle bande dei materiali ad alta risoluzione. Questa capacità è solitamente esclusiva di grandi impianti di sincrotrone, ma ora è disponibile come configurazione da tavolo basata su laser al MIT. Questa tecnica, che utilizza impulsi laser ultravioletti estremi (XUV) per misurare la dinamica degli elettroni tramite spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES), si chiama XUV ARPES risolta nel tempo.
A differenza della configurazione basata sul sincrotrone, questa configurazione basata su laser fornisce inoltre una funzione risolta nel tempo per osservare gli elettroni all'interno di un materiale in modo molto veloce, femtosecondo (quadrillionesimo di secondo). Confrontando questa tecnica veloce su una scala di tempo e distanza, mentre la luce può viaggiare dalla Luna alla Terra in circa un secondo, può viaggiare solo fino allo spessore di un singolo foglio di carta da copia normale in un femtosecondo.
Il team del MIT ha valutato la risoluzione dello strumento utilizzando quattro materiali esemplari che rappresentano un ampio spettro di materiali quantistici:un semimetallo Weyl topologico, un superconduttore ad alta temperatura critica, un semiconduttore a strati, e un sistema di onde di densità di carica.
La tecnica è descritta in un articolo apparso sulla rivista Comunicazioni sulla natura , scritto dai fisici del MIT Edbert Jarvis Sie Ph.D. '17, l'ex postdoc Timm Rohwer, Changmin Lee Ph.D. '18, e il professore di fisica del MIT Nuh Gedik.
Un obiettivo centrale della moderna fisica della materia condensata è scoprire nuove fasi della materia ed esercitare il controllo sulle loro proprietà quantistiche intrinseche. Tali comportamenti sono radicati nel modo in cui l'energia degli elettroni cambia in funzione della loro quantità di moto all'interno di materiali diversi. Questa relazione è nota come struttura elettronica della banda dei materiali e può essere misurata utilizzando la spettroscopia di fotoemissione. Questa tecnica utilizza la luce con un'elevata energia fotonica per allontanare gli elettroni dalla superficie del materiale, un processo precedentemente noto come effetto fotoelettrico, per il quale Albert Einstein ricevette il Premio Nobel per la fisica nel 1921. La velocità e la direzione degli elettroni in uscita possono essere misurate in modo risolto dall'angolo per determinare la relazione tra energia e quantità di moto all'interno del materiale.
L'interazione collettiva tra gli elettroni in questi materiali spesso va oltre le previsioni dei libri di testo. Un metodo per studiare tali interazioni non convenzionali consiste nel promuovere gli elettroni a livelli di energia più elevati e osservare come si rilassano allo stato fondamentale. Questo è chiamato un metodo "pump-and-probe", che fondamentalmente è lo stesso metodo che le persone usano nella loro vita quotidiana per percepire nuovi oggetti intorno a loro. Per esempio, chiunque può far cadere un sassolino sulla superficie dell'acqua e osservare come decadono le increspature per osservare la tensione superficiale e l'acustica dell'acqua. La differenza nella configurazione del MIT è che i ricercatori usano impulsi di luce a infrarossi per "pompare" gli elettroni allo stato eccitato e gli impulsi di luce XUV per "sondare" gli elettroni fotoemessi dopo un certo tempo.
Configurazione XUV ARPES risolta nel tempo sviluppata dai ricercatori del gruppo di ricerca del professor Nuh Gedik del MIT al MIT. I ricercatori utilizzano impulsi di luce a infrarossi per "pompare" gli elettroni allo stato eccitato e impulsi di luce XUV (ultravioletto estremo) per "sondare" gli elettroni fotoemessi dopo un certo ritardo. La loro nuova tecnica consente il pieno accesso alla struttura elettronica a bande di tutti i materiali, con una risoluzione energetica senza precedenti su scale temporali di femtosecondi. Credito:Edbert Jarvis Sie/Nature Communications
La spettroscopia di fotoemissione risolta in tempo e in angolo (trARPES) cattura filmati della struttura elettronica a bande del solido con una risoluzione temporale di femtosecondi. Questa tecnica fornisce preziose informazioni sulla dinamica degli elettroni, fondamentale per comprendere le proprietà dei materiali. Però, è stato difficile accedere agli elettroni ad alto momento con una risoluzione energetica stretta tramite ARPES basato su laser, vincolando fortemente il tipo di fenomeni che possono essere studiati con questa tecnica.
La nuova configurazione XUV trARPES al MIT, che è lungo circa 10 piedi, può generare una sorgente di luce ultravioletta estrema a femtosecondi ad alta risoluzione energetica. "XUV sarà rapidamente assorbito dall'aria, quindi alloggiamo l'ottica nel vuoto, " Sie dice. "Ogni componente dalla sorgente luminosa alla camera del campione viene proiettato sul computer attingendo a una precisione millimetrica." Questa tecnica consente il pieno accesso alla struttura elettronica della banda di tutti i materiali con una risoluzione energetica senza precedenti su scale temporali di femtosecondi. " Per dimostrare la risoluzione della nostra configurazione, non è sufficiente misurare la risoluzione della sola sorgente luminosa, " Dice Sie. "Dobbiamo verificare le vere risoluzioni da misurazioni reali della fotoemissione utilizzando un'ampia gamma di materiali:i risultati sono molto soddisfacenti!"
L'assemblaggio finale della configurazione del MIT comprende diversi strumenti emergenti che vengono sviluppati contemporaneamente nell'industria:sorgente di luce XUV a femtosecondi (XUUS) di KMLabs, Monocromatore XUV (OP-XCT) di McPherson, e l'analizzatore di elettroni a tempo di volo risolta in angolo (ARToF) di Scienta Omicron. "Crediamo che questa tecnica abbia il potenziale per spingere i confini della fisica della materia condensata, "Gedik dice, "così abbiamo lavorato con aziende rilevanti per raggiungere questa capacità di punta".
La configurazione del MIT può misurare con precisione l'energia degli elettroni con momenti elevati. "La combinazione dell'analizzatore di elettroni a tempo di volo e della sorgente di luce a femtosecondi XUV ci dà la possibilità di misurare la struttura completa della banda di quasi tutti i materiali, "Rohwer dice, "A differenza di altre configurazioni, non dobbiamo inclinare ripetutamente il campione per mappare la struttura della banda, e questo ci fa risparmiare un sacco di tempo!"
Un altro progresso significativo è la capacità di cambiare l'energia del fotone. "L'intensità della fotoemissione spesso varia in modo significativo con l'energia del fotone utilizzata nell'esperimento. Questo perché la sezione d'urto della fotoemissione dipende dal carattere orbitale degli elementi che formano il solido, "Dice Lee. "La sintonizzabilità dell'energia dei fotoni fornita dalla nostra configurazione è estremamente utile per migliorare i conteggi di fotoemissione di particolari bande che ci interessano".
Patrick S. Kirchmann, scienziato del personale dello Stanford Institute for Materials and Energy Science, esperto di tecniche ARPES, dice, "Come praticante credo che trARPES sia profondamente utile. Qualsiasi materiale quantistico, isolante topologico, o la questione della superconduttività trae vantaggio dalla comprensione della struttura a bande in non equilibrio. L'idea di base di trARPES è semplice:rilevando l'angolo di emissione e l'energia degli elettroni fotoemessi, possiamo registrare la struttura della banda elettronica. Fatto dopo aver eccitato il campione con la luce, possiamo registrare i cambiamenti della struttura della banda che ci forniscono "film di elettroni, " che sono ripresi a frame rate della loro scala temporale naturale di femtosecondi."
Commentando le nuove scoperte del gruppo di ricerca Gedik al MIT, Kirchmann dice, "Il lavoro di Sie e Gedik stabilisce un nuovo standard raggiungendo una larghezza di banda di 30 meV [millielettronvolt] mantenendo una risoluzione temporale di 200 femtosecondi. Incorporando reticoli intercambiabili nella loro configurazione, sarà inoltre possibile modificare tale partizionamento del prodotto larghezza di banda. Questi risultati consentiranno studi ad alta definizione a lungo necessari sui materiali quantistici con una risoluzione energetica sufficientemente elevata da fornire approfondimenti".
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.