Natuurkundigen van de Universiteit van Konstanz, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU München) en de Universiteit van Regensburg hebben met succes aangetoond dat ultrakorte elektronenpulsen een kwantummechanische faseverschuiving ervaren door hun interactie met lichtgolven in nanofotonische materialen, die de functionaliteit van de nanomaterialen kan blootleggen. De bijbehorende experimenten en resultaten worden gerapporteerd in het laatste nummer van Vooruitgang in de wetenschap.

Nanofotonische materialen en metamaterialen

Veel materialen die in de natuur worden gevonden, kunnen elektromagnetische golven zoals licht op allerlei manieren beïnvloeden. Echter, het genereren van nieuwe optische effecten voor de ontwikkeling van bijzonder efficiënte zonnecellen, verhulapparaten of katalysatoren vereisen vaak kunstmatige structuren, zogenaamde metamaterialen. Deze materialen bereiken hun buitengewone eigenschappen door geavanceerde structurering op nanoschaal, d.w.z. door een roosterachtige opstelling van kleinste bouwstenen op lengteschalen ver onder de golflengte van de excitatie.

De karakterisering en ontwikkeling van dergelijke metamaterialen vereist een diep begrip van hoe de invallende lichtgolven zich gedragen wanneer ze deze kleine structuren raken en hoe ze ermee omgaan. Bijgevolg, de optisch opgewonden nanostructuren en hun elektromagnetische nabije velden moeten worden gemeten met ruimtelijke resoluties in het bereik van nanometers (~10 ^-9 m) en, tegelijkertijd, bij temporele resoluties onder de duur van de excitatiecyclus (~ 10 ^-15 s). Echter, dit kan niet worden bereikt met alleen conventionele lichtmicroscopie.

Ultrasnelle elektronendiffractie van optisch opgewonden nanostructuren

In tegenstelling tot licht, elektronen hebben een rustmassa en bieden daarom 100, 000 keer betere ruimtelijke resolutie dan fotonen. In aanvulling, elektronen kunnen worden gebruikt om elektromagnetische velden en potentialen te onderzoeken vanwege hun lading. Een team onder leiding van professor Peter Baum (Universiteit van Konstanz) is er nu in geslaagd om extreem korte elektronenpulsen toe te passen om zo'n meting te realiseren. Daartoe, de duur van de elektronenpulsen werd door middel van terahertzstraling zodanig in de tijd gecomprimeerd dat de onderzoekers de optische oscillaties van de elektromagnetische nabije velden bij de nanostructuren tot in detail konden oplossen.

Hoge ruimtelijke en temporele resoluties

"De uitdaging bij dit experiment ligt in het ervoor zorgen dat de resolutie zowel in de ruimte als in de tijd voldoende hoog is. Om ruimteladingseffecten te voorkomen, we gebruiken alleen enkele elektronen per puls en versnellen deze elektronen tot energieën van 75 kiloelektronvolt, " legt professor Peter Baum uit, laatste auteur van de studie en hoofd van de werkgroep voor licht en materie aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Konstanz. Wanneer ze worden verstrooid door de nanostructuren, deze extreem korte elektronenpulsen interfereren met zichzelf vanwege hun kwantummechanische eigenschappen en genereren een diffractiebeeld van het monster.

Interactie met de elektromagnetische velden en potentialen

Het onderzoek van de optisch opgewonden nanostructuren is gebaseerd op het bekende principe van pomp-sonde-experimenten. Na de optische excitatie van de nabije velden, de ultrakorte elektronenpuls arriveert op een bepaald tijdstip en meet de tijdbevroren velden in ruimte en tijd. "Volgens de voorspellingen van Aharonov en Bohm, de elektronen ervaren een kwantummechanische faseverschuiving van hun golffunctie wanneer ze door elektromagnetische potentialen reizen, " legt Kathrin Mohler uit, een doctoraal onderzoeker aan de LMU München en eerste auteur van de studie. Deze optisch geïnduceerde faseverschuivingen geven informatie over de ultrasnelle dynamiek van licht bij de nanostructuren, uiteindelijk levert het een filmachtige reeks beelden op die de interactie van licht met de nanostructuren onthult.

Een nieuw toepassingsregime voor elektronenholografie en diffractie

Deze experimenten illustreren hoe elektronenholografie en diffractie in de toekomst kunnen worden gebruikt om ons begrip van fundamentele licht-materie-interacties die ten grondslag liggen aan nanofotonische materialen en metamaterialen te verbeteren. Op de lange termijn, dit kan zelfs leiden tot de ontwikkeling en optimalisatie van compacte optica, nieuwe zonnecellen of efficiënte katalysatoren.