Een nieuwe ultrasnelle techniek, met behulp van hoogenergetische elektronen gekoppeld aan een laserpomp, onthulde inzichten in atomaire vibratiedynamiek in een met laser verwarmde gouden dunne film. Deze techniek meet direct het fononspectrum (gekwantiseerde energiepakketten gerelateerd aan atomaire roostertrillingen) en onderzocht de energieoverdracht van de laser-geëxciteerde elektronen naar atomaire trillingen van het atomaire rooster. Dit werk toont aan dat gespecialiseerde ultrasnelle elektronendiffractie-instrumenten kunnen bijdragen aan de reeks tijdopgeloste laserpomp-/sondetechnieken die in staat zijn om excitaties in materialen te onderzoeken.

Ultrasnelle excitatie en energieoverdracht op atomaire schaal is belangrijk bij faseovergangen, chemische reacties, en macroscopische energiestroom. Relevante trillingstijdframes komen voor in femtoseconden (verplaats de komma gedurende 1,0 seconde 15 keer naar links). Dit onderzoek heeft het nut van deze techniek aangetoond om veranderende trillingstoestanden op te lossen, het begrip hiervan zou een reeks toepassingen kunnen bevorderen, van supergeleiding tot laser-geïnduceerde faseovergangen.

De interacties van elektronen en de atomen waarin ze zich bevinden, zijn belangrijk voor een reeks verschijnselen, van fundamenteel elektronen- en spintransport, laser-geïnduceerde faseovergangen. De meeste experimentele technieken zijn beperkt in hun vermogen om atomaire trillingen (fonons) te onderzoeken omdat, als een thermometer, ze nemen het gemiddelde van alle trillingstoestanden in het materiaal. Nu heeft onderzoek onder leiding van het SLAC National Accelerator Laboratory het volledige frequentiebereik en het tijdsafhankelijke gedrag van fononen in een met laser verwarmde gouden dunne film direct gemeten. In de proefopstelling is hoogenergetische elektronen werden uitgezonden door een elektrode door een ultrasnelle laserpuls. Beide pulsen, elektronen en licht, ging verder met het monster. De laserpuls arriveerde als eerste en prikkelde de residente elektronen in het goudmateriaal, die vervolgens werd onderzocht door de daaropvolgende elektronenpuls in een detector te verstrooien. De pomp/sonde techniek, waarbij de nieuw ontwikkelde ultrasnelle elektronendiffractiebron betrokken is, de posities van de atomen gemeten als functie van de gecontroleerde en variabele tijd tussen pomp en sonde.

Analyse van de atomaire trillingen helpt te bepalen hoe lichtenergie, eerst geabsorbeerd door de elektronen rond atomen, uiteindelijk wordt overgebracht naar de beweging van de atomen zelf. De analyse toonde variërende koppelingstijden tussen de elektron- en fonon-excitaties. De resultaten bevestigden dat energie sneller wordt overgedragen naar trillingen met een hogere frequentie dan naar fononen met lagere frequenties. Deze nieuwe tool kan worden gebruikt om energietransport op de kortste lengte- en tijdschalen te begrijpen en zo het begrip te vergroten van materiaalfenomenen waarbij thermische energie van cruciaal belang is, zoals in supergeleidende en thermo-elektrische apparaten.