Het kan onverstandig zijn om een ​​boek te beoordelen op zijn kaft, maar je kunt veel vertellen over een materiaal van de buitenste elektronen in zijn atomen.

"Deze buitenste elektronen, bekend als valentie-elektronen, zijn de belangrijkste spelers bij het vormen van chemische bindingen en definiëren eigenlijk bijna elke eigenschap van een vaste stof - elektrisch, thermisch, geleidend, " zei Shambhu Ghimire, een associate staff scientist bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy.

Nu hebben Ghimire en twee collega's van het Stanford PULSE Institute een nieuwe manier uitgevonden om de valentie-elektronen van atomen diep in een kristallijne vaste stof te onderzoeken.

In een verslag van vandaag in Natuurfysica , ze beschrijven het gebruik van laserlicht om enkele van de valentie-elektronen te exciteren, stuur ze rond in het kristal en laat ze weerkaatsen van andere atomen. Dit produceert hoogenergetische uitbarstingen van licht die onzichtbaar zijn voor onze ogen, maar bevatten aanwijzingen voor de atomaire structuur en functie van het materiaal.

"Dit zal de wereld veranderen van het in beeld brengen van de binnenkant van kristallijne vaste stoffen, "Ghimire zei, "zoals scanning tunneling microscopie, of STM, veranderde de beeldvorming op atomaire schaal van oppervlakken."

Een nieuwe manier om naar atomen in vaste stoffen te kijken

Uitgevonden in de vroege jaren 80, STM was een revolutionaire methode waarmee wetenschappers de eerste beelden konden maken van individuele atomen en hun bindingen. Het werd geëerd met de 1986 Nobelprijs voor de natuurkunde.

Maar STM neemt valentie-elektronen waar van alleen de bovenste twee of drie lagen atomen in een materiaal. Een stroom van die elektronen in de punt van het instrument creëert een stroom waarmee het de afstand tussen de punt en het oppervlak kan meten, het traceren van de hobbels waar atomen opduiken en de valleien ertussen. Dit creëert een beeld van de atomen en levert informatie op over de bindingen die ze bij elkaar houden.

Nu geeft de nieuwe techniek wetenschappers hetzelfde toegangsniveau tot de valentie-elektronen diep in de vaste stof.

de experimenten, uitgevoerd in een SLAC laserlab door PULSE postdoctoraal onderzoeker Yong Sing You, betrokken kristallen van magnesiumoxide of magnesiumoxide, een veelgebruikt mineraal dat wordt gebruikt om cement te maken, bibliotheekboeken bewaren en verontreinigde grond opruimen, tussen tal van andere dingen.

Deze kristallen hebben ook het vermogen om binnenkomend laserlicht te verschuiven naar veel kortere golflengten en hogere energieën - net zoals het indrukken van een gitaarsnaar een hogere toon produceert - via een proces dat hoge harmonische generatie wordt genoemd, of HHG.

Stuurelektronen om licht te genereren

In dit geval, de wetenschappers hebben de inkomende infrarode laserstraal zorgvuldig aangepast, zodat deze valentie-elektronen in de zuurstofatomen van het kristal zou opwekken. Die elektronen oscilleerden, zoals trillende gitaarsnaren, en genereerde licht van veel kortere golflengten - in het extreem ultraviolette bereik - via HHG.

Maar toen ze de polarisatie van de laserstraal aanpasten om de aangeslagen elektronen langs verschillende banen in het kristal te sturen, ze ontdekten dat HHG alleen plaatsvond als een elektron een naburig atoom raakte, en was het meest efficiënt toen het het dode punt van het atoom raakte. Verder, de golflengte van het harmonisch gegenereerde licht dat naar buiten kwam - dat 13 tot 21 keer korter was dan het licht dat naar binnen ging - onthulde de dichtheid van de valentie-elektronen van het naburige atoom, de grootte van het atoom en zelfs of het een atoom van zuurstof of magnesium was.

"Het is moeilijk om de valentie-elektronen in kaart te brengen met de huidige methoden om de ladingsdichtheid van elektronen te meten, die meestal röntgen- of elektronendiffractie gebruiken, " zei co-auteur David Reis, een universitair hoofddocent bij SLAC en Stanford en adjunct-directeur van PULSE. "Dus aantonen dat we dat kunnen doen met gevoeligheid op atomaire schaal in een tafelbladlaserexperiment is een belangrijke mijlpaal."

Alan Fry, divisiedirecteur voor laserwetenschap en -technologie bij Linac Coherent Light Source X-ray laser van SLAC, was niet betrokken bij het experiment, maar bood een pluim "aan het team dat deze techniek heeft ontwikkeld en die er nog steeds spannend en interessant onderzoek mee doet."

Hoewel deze benadering beperkt kan zijn tot materialen die licht kunnen genereren via HHG, hij zei, "het kan je nog steeds veel vertellen over de elektronische structuur in die vaste stoffen, en zou ons in principe een beter begrip kunnen geven van andere materialen die niet dezelfde respons hebben. Door eenvoudige systemen als deze te begrijpen, wordt een basis gelegd voor het begrijpen van complexere systemen."