De absorptie van energie uit laserlicht door vrije elektronen in een vloeistof is voor het eerst aangetoond. Tot nu, dit proces werd alleen waargenomen in de gasfase. De bevindingen, geleid door de Technische Universiteit van Graz, opent nieuwe deuren voor ultrasnelle elektronenmicroscopie.

Het onderzoek en de ontwikkeling van materialen hangt in grote mate af van het vermogen om de kleinste objecten op de snelste tijdschalen te observeren. De noodzakelijke ruimtelijke resolutie voor onderzoek in het (sub)atomaire bereik kan worden bereikt met elektronenmicroscopie. Voor de snelste processen, echter, binnen een paar femtoseconden (quadrillionste van een seconde), de tijdresolutie van conventionele elektronenmicroscopen is onvoldoende. Om de tijdsduur van elektronenpulsen te verbeteren, elektronen zouden binnen een korter tijdvenster moeten worden geselecteerd - analoog aan een camerasluiter, die de belichtingstijd in fotografie regelt.

In principe, deze tijdelijke selectie is mogelijk met extreem korte laserpulsen via een proces dat laser-assisted elektronenverstrooiing (LAES) wordt genoemd. In dit proces, elektronen kunnen energie uit het lichtveld absorberen tijdens botsingen met atomen van het onderzochte monster. "Structurele informatie wordt geleverd door alle elektronen, maar die met een hoger energieniveau kunnen worden toegewezen aan het tijdvenster waarin de lichtpuls aanwezig was. Met deze methode, het is mogelijk om uit de lange elektronenpuls een kort tijdvenster te selecteren en zo de tijdresolutie te verbeteren, " legt Markus Koch uit, professor aan het Instituut voor Experimentele Fysica van de Technische Universiteit van Graz. Tot dusver, echter, LAES-processen zijn alleen waargenomen in de gasfase, ondanks hun onderzoek gedurende ongeveer 50 jaar.

Koch en zijn team, in samenwerking met onderzoekers van het Photonics Institute van de Technische Universiteit van Wenen en het Institute of Chemistry van de Tokyo Metropolitan University, hebben nu voor het eerst aangetoond dat laserondersteunde elektronenverstrooiing ook kan worden waargenomen in gecondenseerde materie, specifiek in supervloeibaar helium.

Supervloeibaar helium leidt tot succes

De onderzoekers van de TU Graz voerden het experiment uit in een supervloeibare heliumdruppel met een diameter van enkele nanometers (3-30 nm), waarin ze enkele atomen (indium of xenon) of moleculen (aceton) laadden die als elektronenbron dienden - een vakgebied van het instituut. "De vrije elektronen kunnen bijna zonder wrijving in de druppel bewegen en meer energie in het lichtveld absorberen dan ze verliezen bij botsingen met de heliumatomen, " zegt Leonhard Treiber, de Ph.D. student verantwoordelijk voor het experiment. De resulterende versnelling zorgt voor de waarneming van veel snellere elektronen.

De experimenten konden worden geïnterpreteerd in samenwerking met Markus Kitzler-Zeiler, een expert voor sterke veldprocessen aan de TU Wien, en het LAES-proces werd bevestigd door simulaties door Reika Kanya van de Tokyo Metropolitan University. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

In de toekomst, het LAES-proces zal worden bestudeerd in dunne films van verschillende materialen, ook geproduceerd in heliumdruppeltjes, om belangrijke parameters zoals de optimale filmdikte of de gunstige intensiteit van de laserpulsen voor toepassing in een elektronenmicroscoop te bepalen.