Een nieuwe techniek ontwikkeld door een team van MIT kan de volledige elektronische bandstructuur van materialen in hoge resolutie in kaart brengen. Deze mogelijkheid is meestal exclusief voor grote synchrotronfaciliteiten, maar nu is het beschikbaar als een op een tafelblad gebaseerde laseropstelling bij MIT. Deze techniek, die extreme ultraviolette (XUV) laserpulsen gebruikt om de dynamiek van elektronen te meten via hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES), wordt time-resolved XUV ARPES genoemd.

In tegenstelling tot de op synchrotron gebaseerde setup, deze op laser gebaseerde opstelling biedt verder een in de tijd opgeloste functie om de elektronen in een materiaal op een zeer snelle, femtoseconde (vierduizendste van een seconde) tijdschaal. Door deze snelle techniek te vergelijken op een tijd- en afstandschaal, terwijl licht in ongeveer een seconde van de maan naar de aarde kan reizen, het kan slechts zo ver reizen als de dikte van een enkel vel gewoon kopieerpapier in één femtoseconde.

Het MIT-team evalueerde hun instrumentresolutie met behulp van vier voorbeeldmaterialen die een breed spectrum aan kwantummaterialen vertegenwoordigen:een topologisch Weyl-halfmetaal, een supergeleider met een hoge kritische temperatuur, een gelaagde halfgeleider, en een ladingsdichtheidsgolfsysteem.

De techniek wordt beschreven in een artikel dat in het tijdschrift verschijnt Natuurcommunicatie , geschreven door MIT-natuurkundigen Edbert Jarvis Sie Ph.D. '17, voormalig postdoc Timm Rohwer, Changmin Lee Ph.D. '18, en MIT natuurkunde professor Nuh Gedik.

Een centraal doel van de moderne fysica van de gecondenseerde materie is het ontdekken van nieuwe fasen van materie en het uitoefenen van controle over hun intrinsieke kwantumeigenschappen. Dergelijk gedrag is geworteld in de manier waarop de energie van elektronen verandert als een functie van hun momentum in verschillende materialen. Deze relatie staat bekend als de elektronische bandstructuur van materialen en kan worden gemeten met behulp van foto-emissiespectroscopie. Deze techniek maakt gebruik van licht met een hoge fotonenergie om de elektronen weg te slaan van het materiaaloppervlak - een proces dat voorheen bekend stond als het foto-elektrisch effect. waarvoor Albert Einstein in 1921 de Nobelprijs voor natuurkunde ontving. De snelheid en richting van de uitgaande elektronen kunnen op een hoek-opgeloste manier worden gemeten om de relatie tussen energie en momentum in het materiaal te bepalen.

De collectieve interactie tussen elektronen in deze materialen gaat vaak verder dan leerboekvoorspellingen. Een methode om dergelijke niet-conventionele interacties te bestuderen, is door de elektronen naar hogere energieniveaus te brengen en te kijken hoe ze zich terug ontspannen naar de grondtoestand. Dit wordt een "pump-and-probe"-methode genoemd, wat in feite dezelfde methode is die mensen in hun dagelijks leven gebruiken om nieuwe objecten om hen heen waar te nemen. Bijvoorbeeld, iedereen kan een kiezelsteen op het wateroppervlak laten vallen en kijken hoe de rimpelingen wegsterven om de oppervlaktespanning en akoestiek van water te observeren. Het verschil in de MIT-opstelling is dat de onderzoekers infraroodlichtpulsen gebruiken om de elektronen naar de aangeslagen toestand te "pompen" en de XUV-lichtpulsen om de door licht uitgezonden elektronen na een tijdsvertraging te "onderzoeken".

Tijd- en hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (trARPES) legt films vast van de elektronische bandstructuur van de vaste stof met een femtoseconde tijdresolutie. Deze techniek biedt onschatbare inzichten in de elektronendynamica, wat cruciaal is om de eigenschappen van de materialen te begrijpen. Echter, het was moeilijk om toegang te krijgen tot hoog-momenta-elektronen met een smalle energieresolutie via op laser gebaseerde ARPES, het type fenomenen dat met deze techniek kan worden bestudeerd ernstig wordt beperkt.

De nieuw ontwikkelde XUV trARPES-opstelling aan het MIT, die ongeveer 10 voet lang is, kan een femtoseconde extreem-ultraviolette lichtbron genereren met een hoge energieresolutie. "XUV wordt snel opgenomen door de lucht, dus we huisvesten de optica in vacuüm, Sie zegt. "Elk onderdeel van de lichtbron tot de monsterkamer wordt op de computer geprojecteerd tot op de millimeter nauwkeurig. Deze techniek maakt volledige toegang tot de elektronische bandstructuur van alle materialen mogelijk met een ongekend smalle energieresolutie op femtoseconde tijdschalen." Om de resolutie van onze setup te demonstreren, het is niet voldoende om de resolutie van de lichtbron alleen te meten, "zegt Sie. "We moeten de echte resolutie verifiëren aan de hand van echte foto-emissiemetingen met een breed scala aan materialen - de resultaten zijn zeer bevredigend!"

De eindmontage van de MIT-opstelling omvat verschillende opkomende instrumenten die gelijktijdig in de industrie worden ontwikkeld:femtoseconde XUV-lichtbron (XUUS) van KMLabs, XUV-monochromator (OP-XCT) van McPherson, en hoek-opgeloste time-of-flight (ARToF) elektronenanalysator van Scienta Omicron. "Wij geloven dat deze techniek het potentieel heeft om de grens van de fysica van de gecondenseerde materie te verleggen, "Gedik zegt, "Dus we werkten samen met relevante bedrijven om dit toonaangevende vermogen te bereiken."

De MIT-opstelling kan de energie van elektronen met een hoog momentum nauwkeurig meten. "De combinatie van time-of-flight elektronenanalysator en XUV femtoseconde lichtbron geeft ons de mogelijkheid om de volledige bandstructuur van bijna alle materialen te meten, "Rohwer zegt, "In tegenstelling tot sommige andere instellingen, we hoeven de sample niet herhaaldelijk te kantelen om de bandstructuur in kaart te brengen - en dit bespaart ons veel tijd!"

Een andere belangrijke vooruitgang is het vermogen om de fotonenergie te veranderen. "De intensiteit van de foto-emissie varieert vaak aanzienlijk met de foton-energie die in het experiment wordt gebruikt. Dit komt omdat de doorsnede van de foto-emissie afhangt van het orbitale karakter van de elementen die de vaste stof vormen, Lee zegt. "De afstembaarheid van fotonenergie die door onze opstelling wordt geboden, is buitengewoon nuttig bij het verbeteren van de foto-emissietellingen van bepaalde banden waarin we geïnteresseerd zijn."

Stanford Institute for Materials and Energy Science Staff Scientist Patrick S. Kirchmann, een expert in ARPES-technieken, zegt, "Als beoefenaar geloof ik dat trARPES zeer nuttig is. Elk kwantummateriaal, topologische isolator, of supergeleidingsvraag profiteert van het begrijpen van de bandstructuur in niet-evenwicht. Het basisidee van trARPES is eenvoudig:door de emissiehoek en energie van foto-uitgezonden elektronen te detecteren, we kunnen de elektronische bandstructuur opnemen. Gedaan na het monster met licht te hebben opgewonden, kunnen we veranderingen in de bandstructuur vastleggen die ons voorzien van 'elektronenfilms, " die zijn gefilmd met framesnelheden van hun natuurlijke femtoseconde tijdschaal."

In een reactie op de nieuwe bevindingen van de Gedik-onderzoeksgroep aan het MIT, Kirchmann zegt, "Het werk van Sie en Gedik zet een nieuwe standaard door het bereiken van 30 meV [milli-elektron-volt] bandbreedte met behoud van 200 femtoseconde tijdresolutie. Door verwisselbare roosters in hun opstelling op te nemen, het zal ook mogelijk zijn om die verdeling van het tijdbandbreedteproduct te veranderen. Deze prestaties zullen lang noodzakelijke high-definition studies van kwantummaterialen mogelijk maken met een voldoende hoge energieresolutie om diepgaande inzichten te verschaffen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.