Per la prima volta è stato dimostrato l'assorbimento di energia dalla luce laser da parte di elettroni liberi in un liquido. Fino ad ora, questo processo è stato osservato solo nella fase gassosa. Le scoperte, guidato dall'Università di tecnologia di Graz, aprire nuove porte per la microscopia elettronica ultraveloce.

L'indagine e lo sviluppo dei materiali dipendono in modo cruciale dalla capacità di osservare oggetti più piccoli su scale temporali più veloci. La risoluzione spaziale necessaria per le indagini nell'intervallo (sub)atomico può essere ottenuta con la microscopia elettronica. Per i processi più rapidi, però, procedendo entro pochi femtosecondi (quadrilionesimi di secondo), la risoluzione temporale dei microscopi elettronici convenzionali è insufficiente. Per migliorare la durata degli impulsi elettronici, gli elettroni dovrebbero essere selezionati entro una finestra temporale più breve, in analogia a un otturatore della fotocamera, che controlla il tempo di esposizione in fotografia.

In linea di principio, questa selezione temporale è possibile con impulsi laser estremamente brevi attraverso un processo chiamato diffusione di elettroni laser assistita (LAES). In questo processo, gli elettroni possono assorbire energia dal campo luminoso durante le collisioni con gli atomi del campione in esame. "Le informazioni strutturali sono fornite da tutti gli elettroni, ma quelli che hanno un livello di energia più alto possono essere assegnati alla finestra temporale in cui era presente l'impulso luminoso. Con questo metodo, è possibile selezionare una finestra temporale breve dall'impulso elettronico lungo e quindi migliorare la risoluzione temporale, " spiega Markus Koch, professore all'Istituto di Fisica Sperimentale dell'Università di Tecnologia di Graz. Finora, però, I processi LAES sono stati osservati solo in fase gassosa, nonostante la loro indagine per circa 50 anni.

Koch e la sua squadra, in collaborazione con i ricercatori dell'Istituto di fotonica della Vienna University of Technology e dell'Istituto di chimica della Tokyo Metropolitan University, hanno ora dimostrato per la prima volta che la diffusione di elettroni assistita da laser può essere osservata anche nella materia condensata, in particolare nell'elio superfluido.

Elio superfluido che porta al successo

I ricercatori del TU Graz hanno eseguito l'esperimento in una gocciolina di elio superfluido di pochi nanometri di diametro (3-30 nm), in cui hanno caricato singoli atomi (indio o xeno) o molecole (acetone) che fungevano da sorgente di elettroni, un campo di competenza dell'istituto. "Gli elettroni liberi possono muoversi quasi senza attrito all'interno della gocciolina e assorbire più energia nel campo luminoso di quanta ne perdano nelle collisioni con gli atomi di elio, "dice Leonhard Treiber, il dottorato studente responsabile dell'esperimento. L'accelerazione risultante consente l'osservazione di elettroni molto più veloci.

Gli esperimenti potrebbero essere interpretati in collaborazione con Markus Kitzler-Zeiler, un esperto per i processi di campo forte presso TU Wien, e il processo LAES è stato confermato attraverso le simulazioni di Reika Kanya della Tokyo Metropolitan University. I risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Nel futuro, il processo LAES sarà studiato all'interno di film sottili di vari materiali, prodotto anche all'interno di goccioline di elio, per determinare parametri importanti come lo spessore ottimale del film o l'intensità favorevole degli impulsi laser per l'applicazione in un microscopio elettronico.