Het oppervlak van een materiaal heeft vaak eigenschappen die heel anders zijn dan de eigenschappen binnen het materiaal. Bijvoorbeeld, een niet-geleidend kristal, die eigenlijk geen magnetisme vertoont, kan magnetisatie vertonen die beperkt is tot het oppervlak vanwege de manier waarop de atomen daar zijn gerangschikt. Deze onderscheidende eigenschappen op interfaces en oppervlakken van materialen spelen vaak een sleutelrol bij de ontwikkeling van nieuwe functionele componenten zoals opto-elektronische chips of sensoren en zijn daarom onderwerp van uitgebreid onderzoek. Een internationaal onderzoeksteam van de Universiteit van Göttingen, het Max Planck Instituut voor Biofysische Chemie Göttingen en de National Research Council Canada zijn er nu in geslaagd om de oppervlakken van transparante kristallen te onderzoeken met behulp van krachtige bestraling van lasers. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

De onderzoekers beschrijven hun methode, die puur op licht vertrouwt, om elektrische en magnetische eigenschappen op oppervlakken te bepalen. Deze nieuwe methode zou een belangrijke rol kunnen spelen in het onderzoek naar transparante, niet-geleidende materialen, omdat gevestigde methoden die elektronen gebruiken vaak experimentele beperkingen ondervinden vanwege de lage geleidbaarheid, onder andere moeilijkheden. Het gebruik van licht helpt deze beperkingen te omzeilen:wanneer lichtstralen een materiaaloppervlak raken, bijvoorbeeld een glasplaat, ze worden weerspiegeld op de interface, gebroken en geabsorbeerd in het materiaal. Deze effecten, die in het dagelijks leven kan worden waargenomen, zijn het resultaat van de interactie van het zwakke lichtveld met de atomen en elektronen van het bestraalde materiaal. In het geval van sterkere lichtvelden, die worden bereikt met lasers, verdere effecten optreden, welke kan, bijvoorbeeld, hogere lichtfrequenties genereren, ook wel bekend als hoge harmonische straling. Deze effecten zijn vaak afhankelijk van de oscillatierichting van het lichtveld ten opzichte van de atomaire rangschikking in het materiaal.

"We profiteren van deze afhankelijkheid bij het genereren van hoge harmonische straling om inzicht te krijgen in de eigenschappen op en nabij het oppervlak van transparante materialen, " zegt eerste auteur en promovendus Tobias Heinrich van de Faculteit der Natuurkunde aan de Universiteit van Göttingen. "Het lichtveld dat we gebruiken bestaat uit twee laserpulsen die in tegengestelde richtingen op twee verschillende frequenties roteren, en dit resulteert in een klaverbladvormig symmetrisch veld." Deze op maat gemaakte lichtvelden kunnen worden aangepast aan de atomaire opstelling van het materiaal om het genereren van de hoge harmonischen te regelen.

"We laten zien dat deze controle kan worden gebruikt om magnetisatie aan het oppervlak van magnesiumoxide te bestuderen, " legt Dr. Murat Sivis uit, de studieleider. Afhankelijk van de draairichting van het lichtveld - ook wel chiraliteit genoemd - wordt het gegenereerde ultraviolette licht in verschillende mate geabsorbeerd op het grensvlak. "Voor verschillende materialen die eigenlijk geen magnetisatie of elektrische geleidbaarheid vertonen, deze eigenschappen aan het oppervlak zijn in theorie voorspeld, " zei Sivis. "In onze studie, laten we zien dat het nu mogelijk is om dergelijke verschijnselen te onderzoeken met alleen optische methoden, waarschijnlijk zelfs op zeer korte tijdschalen." De onderzoekers hopen ook nieuwe inzichten te krijgen in de elektronische eigenschappen van andere chirale materialen, zoals de studie laat zien met behulp van het voorbeeld van de spiraalvormige kristalstructuur van kwarts. De gevoeligheid voor chirale verschijnselen op oppervlakken zou mogelijk nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor onderzoek naar innovatieve functionele materialen.