Chemische reacties, zoals die optreden bij het opladen en ontladen van een batterij, vinden voornamelijk plaats op oppervlakken en op interfaces. Hoewel het heel gemakkelijk is om de macroscopische producten van een reactie te bestuderen, het was tot nu toe moeilijk om een ​​nauwkeuriger beeld te krijgen van het verloop van chemische reacties op atomair niveau. Dat vraagt ​​om meetmethoden waarmee kan worden geobserveerd op de extreem korte tijdschalen waarop chemische reacties plaatsvinden.

In principe, Hiervoor zijn spectroscopische methoden met zeer korte laserpulsen voor temporele resolutie geschikt. Tegelijkertijd, het laserlicht moet van een zeer korte golflengte zijn, zoals natuurkundige Tobias Helk van de Friedrich Schiller Universiteit Jena uitlegt:"Om specifiek individuele elementen te kunnen onderzoeken met behulp van kernelektronenresonantie, laserlicht met een golflengte van enkele nanometers is vereist, d.w.z. straling in het extreem ultraviolette (XUV) of röntgenbereik van het spectrum."

Om chemische processen te observeren, het is ook belangrijk om de grensvlakken tussen media en materiaaloppervlakken te kunnen bestuderen waar chemische reacties plaatsvinden, voegt Henk toe. Naast korte golflengten en korte duur, de laserpulsen moeten ook een extreem hoge intensiteit hebben om niet-lineaire effecten te kunnen veroorzaken, zoals ze worden genoemd, waarmee het meetsignaal naar de interface kan worden herleid.

Tot dusver, echter, er zijn maar weinig methoden om zulke intense laserstraling in het XUV- en röntgenbereik te genereren. "Tot nu, dit was alleen mogelijk bij grootschalige onderzoeksfaciliteiten zoals de FLASH vrije-elektronenlaser bij DESY, " zegt Prof. Christian Spielmann van het Instituut voor Optica en Quantum Elektronica aan de Universiteit van Jena. Echter, hij en zijn team, samen met onderzoekers uit de VS en Frankrijk, hebben nu een manier gevonden om dergelijk onderzoek mogelijk te maken in een standaard laserlaboratorium.

Niet-lineaire frequentieverdubbeling op een titanium oppervlak

Hiertoe, als lichtbron werd een zachte röntgenlaser van het Laboratoire d'Optique Appliquee in Palaisseau (Frankrijk) gebruikt. "Bij ons experiment we hebben een speciale focusgeometrie opgezet, bestaande uit een elliptisch gevormde spiegel die ons in staat stelt de laserstraling op een zeer klein gebied te concentreren, " zegt promovendus Helk, hoofdauteur van de studie. De straling met een golflengte van 32,8 nanometer werd gefocust op een ultradunne titaniumfolie en de niet-lineaire interactie met de materiedeeltjes werd geanalyseerd.

"Zoals al bekend is uit onderzoeken met straling in het zichtbare en infrarode bereik, licht met nieuwe eigenschappen kan worden gegenereerd door de interactie van lichtdeeltjes en materiedeeltjes, " legt Helk uit. In een proces dat bekend staat als niet-lineaire frequentieverdubbeling (of tweede harmonische generatie), bijvoorbeeld, twee fotonen van het uitgestraalde licht worden door het materiaal geabsorbeerd en een foton met twee keer de frequentie (twee keer de energie) wordt uitgezonden.

En het is precies dit effect dat de onderzoekers konden aantonen. Met een spectrometer ze scheidden de straling die het gevolg was van de interactie met de titaniumfolie en legden deze vast met een camera. Door simulaties te vergelijken met de meetresultaten, ze konden ook aantonen dat de resulterende straling afkomstig is van het oppervlak van de titaniumfolie en niet in het materiaal.

"Het kunnen uitvoeren van deze vorm van oppervlaktespectroscopie in het XUV-bereik op laboratoriumschaal opent volledig nieuwe perspectieven. chemische processen op oppervlakken of op verborgen grensvlakken kunnen nu worden bestudeerd vanuit het perspectief van een enkel atoom in anders complexe chemische omgevingen, " zegt Prof. Michael Zürch van de Universiteit van Californië, beschrijft de betekenis van het resultaat. Verder, de korte duur van de gebruikte pulsen maakt het onderzoek van dynamische processen op interfaces mogelijk, zoals die optreden tijdens het opladen en ontladen van batterijen.