Voor de eerste keer, ingenieurs en wetenschappers van Caltech hebben de ultrasnelle beweging van elektronen direct kunnen waarnemen nadat ze met een laser zijn geëxciteerd - en ontdekten dat deze elektronen veel sneller en verder in hun omgeving diffunderen dan eerder werd verwacht.

Dit gedrag, bekend als "super-diffusie, " was een hypothese maar nooit eerder gezien. Een team onder leiding van Caltech's Marco Bernardi en wijlen Ahmed Zewail documenteerde de beweging van de elektronen met behulp van microscopen die beelden vastlegden met een sluitertijd van een biljoenste van een seconde bij een ruimtelijke resolutie op nanometerschaal. bevindingen verschijnen in een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 11 mei

De aangeslagen elektronen vertoonden een diffusiesnelheid 1, 000 keer hoger dan voor excitatie. Hoewel het fenomeen maar een paar honderd biljoenste van een seconde duurt, het biedt de mogelijkheid voor de manipulatie van hete elektronen in dit snelle regime om energie te transporteren en op te laden in nieuwe apparaten.

"Ons werk toont het bestaan ​​aan van een snelle transiënt die een paar honderd picoseconden duurt, waarbij elektronen veel sneller bewegen dan hun snelheid bij kamertemperatuur, wat inhoudt dat ze in een bepaalde tijd grotere afstanden kunnen afleggen wanneer ze worden gemanipuleerd met lasers, " zegt Bernardi, assistent-professor toegepaste natuurkunde en materiaalkunde in de afdeling Engineering and Applied Science van Caltech. "Dit niet-evenwichtsgedrag zou kunnen worden gebruikt in nieuwe elektronische, opto-elektronisch, en apparaten voor hernieuwbare energie, evenals om nieuwe fundamentele fysica te ontdekken."

Bernardi's collega, Nobelprijswinnaar Ahmed Zewail, de Linus Pauling hoogleraar scheikunde, hoogleraar natuurkunde, en directeur van het Physical Biology Center for Ultrafast Science and Technology in Caltech, overleden op 2 augustus 2016.

Het onderzoek werd mogelijk gemaakt door ultrasnelle elektronenmicroscopie te scannen - een ultrasnelle beeldvormingstechnologie die is ontwikkeld door Zewail en die in staat is afbeeldingen te maken met picoseconde tijd en ruimtelijke resoluties van nanometers. Bernardi ontwikkelde de theorie en computermodellen die de experimentele resultaten verklaren als een manifestatie van superdiffusie.

Bernardi is van plan het onderzoek voort te zetten door te proberen zowel fundamentele vragen over aangeslagen elektronen (zoals hoe ze onderling in evenwicht komen en met atomaire trillingen in materialen) als toegepaste vragen te beantwoorden, zoals hoe hete elektronen de efficiëntie van apparaten voor energieconversie zoals zonnecellen en LED's kunnen verhogen.