Onderzoekers van de afdeling Fysica van ETH Zürich hebben gemeten hoe elektronen in zogenaamde overgangsmetalen worden herverdeeld binnen een fractie van een optische oscillatiecyclus. Ze zagen dat de elektronen zich binnen minder dan een femtoseconde concentreerden rond de metaalatomen. Deze hergroepering kan belangrijke macroscopische eigenschappen van deze verbindingen beïnvloeden, zoals elektrische geleidbaarheid, magnetisatie of optische kenmerken. Het werk suggereert daarom een ​​route om deze eigenschappen op extreem snelle tijdschalen te beheersen.

De verdeling van elektronen in overgangsmetalen, die een groot deel van het periodiek systeem van chemische elementen vertegenwoordigen, is verantwoordelijk voor veel van hun interessante eigenschappen die worden gebruikt in toepassingen. De magnetische eigenschappen van sommige leden van deze groep materialen zijn, bijvoorbeeld, misbruikt voor gegevensopslag, terwijl andere een uitstekende elektrische geleidbaarheid vertonen. Overgangsmetalen spelen ook een beslissende rol voor nieuwe materialen met meer exotisch gedrag dat het gevolg is van sterke interacties tussen de elektronen. Dergelijke materialen zijn veelbelovende kandidaten voor een breed scala aan toekomstige toepassingen.

In hun experiment hebben wiens resultaten ze rapporteren in een paper dat vandaag is gepubliceerd in Natuurfysica , Mikhail Volkov en collega's in de Ultrafast Laser Physics-groep van prof. Ursula Keller stelden dunne folies van de overgangsmetalen titanium en zirkonium bloot aan korte laserpulsen. Ze observeerden de herverdeling van de elektronen door de resulterende veranderingen in optische eigenschappen van de metalen in het extreem ultraviolette (XUV) domein vast te leggen. Om de geïnduceerde veranderingen met voldoende temporele resolutie te kunnen volgen, XUV-pulsen met een duur van slechts enkele honderden attoseconden (10 ^-18 s) werden gebruikt bij de meting. Door de experimentele resultaten te vergelijken met theoretische modellen, ontwikkeld door de groep van Prof. Angel Rubio aan het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg, de onderzoekers stelden vast dat de verandering zich in minder dan een femtoseconde (10 ^-15 s) is te wijten aan een wijziging van de elektronenlokalisatie in de buurt van de metaalatomen. De theorie voorspelt ook dat in overgangsmetalen met sterker gevulde buitenste elektronenschillen een tegengestelde beweging - dat wil zeggen, een delokalisatie van de elektronen is te verwachten.

Ultrasnelle controle van materiaaleigenschappen

De elektronenverdeling definieert de microscopisch kleine elektrische velden in een materiaal, die niet alleen een vaste stof bij elkaar houden, maar ook in hoge mate de macroscopische eigenschappen ervan bepalen. Door de verdeling van elektronen te veranderen, zo kan men ook de eigenschappen van een materiaal sturen. Het experiment van Volkov et al. laat zien dat dit mogelijk is op tijdschalen die aanzienlijk korter zijn dan de oscillatiecyclus van zichtbaar licht (ongeveer twee femtoseconden). Nog belangrijker is de bevinding dat de tijdschalen veel korter zijn dan de zogenaamde thermalisatietijd, dat is de tijd waarbinnen de elektronen de effecten van een externe controle van de elektronenverdeling zouden wegwassen door botsingen tussen elkaar en met het kristalrooster.

Eerste verrassing

aanvankelijk, het kwam als een verrassing dat de laserpuls zou leiden tot een verhoogde elektronenlokalisatie in titanium en zirkonium. Een algemene trend in de natuur is dat als gebonden elektronen meer energie krijgen, ze zullen minder gelokaliseerd worden. De theoretische analyse, die de experimentele waarnemingen ondersteunt, toonde aan dat de verhoogde lokalisatie van de elektronendichtheid een netto-effect is als gevolg van de sterkere vulling van de karakteristieke gedeeltelijk gevulde d-orbitalen van de overgangsmetaalatomen. Voor overgangsmetalen die d-orbitalen hebben die al voor meer dan de helft gevuld zijn (dat wil zeggen, elementen meer naar rechts in het periodiek systeem), het netto-effect is het tegenovergestelde en komt overeen met een delokalisatie van de elektronische dichtheid.

Naar snellere elektronische componenten

Hoewel het nu gerapporteerde resultaat van fundamentele aard is, de experimenten tonen de mogelijkheid aan van een zeer snelle wijziging van materiaaleigenschappen. Dergelijke modulaties worden gebruikt in de elektronica en opto-elektronica voor de verwerking van elektronische signalen of de overdracht van gegevens. Terwijl de huidige componenten signaalstromen verwerken met frequenties in de gigahertz (10 ⁹ Hz) bereik, de resultaten van Volkov en collega's wijzen op de mogelijkheid van signaalverwerking op petahertz-frequenties (10 ¹⁵ Hz). Deze vrij fundamentele bevindingen kunnen daarom de ontwikkeling van de volgende generaties van steeds snellere componenten informeren, en daardoor indirect hun weg vinden naar ons dagelijks leven.