Tijdens de omzetting van licht in elektriciteit, zoals in zonnecellen, een groot deel van de ingevoerde lichtenergie gaat verloren. Dit komt door het gedrag van elektronen in materialen. Als licht een materiaal raakt, het stimuleert elektronen energetisch gedurende een fractie van een seconde, voordat ze de energie weer teruggeven aan het milieu. Vanwege hun extreem korte duur van enkele femtoseconden - een femtoseconde is een quadriljoenste van een seconde - zijn deze processen tot op heden nauwelijks onderzocht. Een team van het Institute of Experimental and Applied Physics aan de Kiel University (CAU), onder leiding van professor Michael Bauer en professor Kai Roßnagel, is er nu in geslaagd om de energie-uitwisseling van de elektronen met hun omgeving in realtime te onderzoeken, en daardoor afzonderlijke fasen te onderscheiden. In hun experiment hebben ze bestraalden grafiet met een intense, ultrakorte lichtpuls en filmde de impact op het gedrag van elektronen. Een uitgebreid begrip van de fundamentele processen die hierbij betrokken zijn, kan in de toekomst belangrijk zijn voor toepassingen in ultrasnelle opto-elektronische componenten. Het onderzoeksteam heeft deze bevindingen gepubliceerd in de huidige editie van het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

De eigenschappen van een materiaal zijn afhankelijk van het gedrag van de samenstellende elektronen en atomen. Een basismodel om het gedrag van elektronen te beschrijven is het concept van het zogenaamde Fermi-gas, vernoemd naar de Nobelprijswinnaar Enrico Fermi. Bij dit model is de elektronen in het materiaal worden beschouwd als een gasvormig systeem. Op deze manier, het is mogelijk om hun interacties met elkaar te beschrijven. Om het gedrag van elektronen op basis van deze beschrijving realtime te volgen, het Kiel-onderzoeksteam ontwikkelde een experiment voor onderzoek met extreme temporele resolutie:als een materiaalmonster wordt bestraald met een ultrasnelle lichtpuls, de elektronen worden voor een korte periode gestimuleerd. Een seconde, vertraagde lichtpuls laat enkele van deze elektronen vrij uit de vaste stof. Een gedetailleerde analyse hiervan maakt het mogelijk conclusies te trekken over de elektronische eigenschappen van het materiaal na de eerste stimulatie met licht. Een speciale camera filmt hoe de ingebrachte lichtenergie door het elektronensysteem wordt verdeeld.

Ontwikkeld in Kiel:een van 's werelds snelste systemen

Het bijzondere aan het Kiel-systeem is de extreem hoge temporele resolutie van 13 femtoseconden. Dit maakt het een van de snelste elektronencamera's ter wereld. "Dankzij de extreem korte duur van de gebruikte lichtpulsen, we zijn in staat om ultrasnelle processen live te filmen. Ons onderzoek heeft aangetoond dat hier verrassend veel dingen gebeuren, " legde Michael Bauer uit, hoogleraar ultrasnelle dynamica aan de CAU. Hij ontwikkelde het systeem, samen met de werkgroep van Kai Roßnagel, hoogleraar vastestofonderzoek met synchrotronstraling.

In hun huidige experiment het onderzoeksteam bestraalde een grafietmonster met een korte, intense lichtpuls van slechts zeven femtoseconden duur. Grafiet wordt gekenmerkt door een eenvoudige elektronische structuur. Dus, fundamentele processen zijn bijzonder duidelijk waar te nemen. In het experiment, de inslaande lichtdeeltjes - ook wel fotonen genoemd - verstoorden het thermische evenwicht van de elektronen. Dit evenwicht beschrijft een toestand waarin tussen de elektronen een nauwkeurig definieerbare temperatuur heerst. Het onderzoeksteam van Kiel filmde vervolgens het gedrag van de elektronen, totdat er na ongeveer 50 femtoseconden een evenwicht was hersteld.

Talloze interacties binnen een extreem korte periode

Daarbij, de wetenschappers observeerden talrijke interactieprocessen van aangeslagen elektronen met de inslaande fotonen, evenals atomen en andere elektronen in het materiaal. Op basis van de filmbeelden ze konden zelfs verschillende fasen onderscheiden binnen deze ultrakorte periode:ten eerste, de bestraalde elektronen absorbeerden de lichtenergie van de fotonen in het grafiet, en daardoor omgezet in elektrische energie. Vervolgens werd de energie verdeeld over andere elektronen, voordat ze het doorgaven aan de omringende atomen. In dit laatste proces de elektrische energie wordt uiteindelijk permanent omgezet in warmte; het grafiet warmt op.

De experimenten van het Kiel-onderzoeksteam bevestigen ook voor het eerst theoretische voorspellingen. Ze maken een nieuw perspectief mogelijk op een onderzoeksonderwerp dat op deze korte tijdschaal nauwelijks is onderzocht. "Door onze nieuwe technische mogelijkheden, deze fundamentele, complexe processen kunnen voor het eerst direct worden waargenomen, "zei Bauer. Deze benadering zou in de toekomst ook kunnen worden toegepast om ultrasnelle bewegingen van door licht geagiteerde elektronen in materialen met veelbelovende optische eigenschappen te onderzoeken en te optimaliseren.