Voor de eerste keer, onderzoekers hebben kunnen vastleggen, frame voor frame, hoe een elektron interageert met bepaalde atomaire trillingen in een vaste stof. De techniek legt een proces vast dat gewoonlijk elektrische weerstand in materialen veroorzaakt, terwijl, In andere, kan precies het tegenovergestelde veroorzaken:de afwezigheid van weerstand, of supergeleiding.

"De manier waarop elektronen met elkaar omgaan en hun microscopische omgeving bepaalt de eigenschappen van alle vaste stoffen, " zei MengXing Na, een Universiteit van British Columbia (UBC) Ph.D. student en co-hoofdauteur van de studie, vorige week gepubliceerd in Wetenschap . "Zodra we de dominante microscopische interacties identificeren die de eigenschappen van een materiaal bepalen, we kunnen manieren vinden om de interactie te 'verhogen' of 'verlagen' om bruikbare elektronische eigenschappen op te wekken."

Het beheersen van deze interacties is belangrijk voor de technologische exploitatie van kwantummaterialen, inclusief supergeleiders, die worden gebruikt in MRI-machines, hogesnelheids magnetische levitatietreinen, en zou ooit een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop energie wordt getransporteerd.

Op kleine schaal, atomen in alle vaste stoffen trillen constant. Botsingen tussen een elektron en een atoom kunnen worden gezien als een 'verstrooiingsgebeurtenis' tussen het elektron en de trilling, een fonon genoemd. Door de verstrooiing kan het elektron zowel van richting als van energie veranderen. Dergelijke elektron-fonon-interacties vormen de kern van vele exotische fasen van materie, waar materialen unieke eigenschappen vertonen.

Met de steun van de Gordon en Betty Moore Foundation, het team van het Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI) van UBC ontwikkelde een nieuwe extreem-ultraviolette laserbron om een ​​techniek, tijdsopgeloste foto-emissiespectroscopie genaamd, mogelijk te maken voor het visualiseren van elektronenverstrooiingsprocessen op ultrasnelle tijdschalen.

"Met behulp van een ultrakorte laserpuls, we opgewonden individuele elektronen weg van hun gebruikelijke evenwichtsomgeving, " zei Na. "Door een tweede laserpuls te gebruiken als een effectieve camerasluiter, we hebben vastgelegd hoe de elektronen verstrooien met omringende atomen op tijdschalen sneller dan een biljoenste van een seconde. Door de zeer hoge gevoeligheid van onze opstelling, we konden voor het eerst direct meten hoe de aangeslagen elektronen interageerden met een specifieke atomaire vibratie, of fonon."

De onderzoekers voerden het experiment uit op grafiet, een kristallijne vorm van koolstof en de moederverbinding van koolstofnanobuisjes, Buckyballs en grafeen. Op koolstof gebaseerde elektronica is een groeiende industrie, en de verstrooiingsprocessen die bijdragen aan elektrische weerstand, kunnen hun toepassing in nano-elektronica beperken.

De aanpak maakt gebruik van een unieke laserfaciliteit ontworpen door David Jones en Andrea Damascelli, en ontwikkeld door co-hoofdauteur Arthur Mills, bij het UBC-Moore Center for Ultrafast Quantum Matter. De studie werd ook ondersteund door theoretische samenwerkingen met de groepen van Thomas Devereaux aan de Stanford University en Alexander Kemper aan de North Carolina State University.

"Dankzij recente ontwikkelingen in gepulseerde laserbronnen, we beginnen nog maar net de dynamische eigenschappen van kwantummaterialen te visualiseren, " zei Jones, een professor met UBC's SBQMI en afdeling Natuur- en Sterrenkunde.

"Door deze baanbrekende technieken toe te passen, we zijn nu klaar om het ongrijpbare mysterie van supergeleiding bij hoge temperatuur en vele andere fascinerende fenomenen van kwantummaterie te onthullen, " zei Damascelli, wetenschappelijk directeur van SBQMI.