Laserlicht kan de eigenschappen van vaste materialen radicaal veranderen, waardoor ze supergeleidend of magnetisch worden binnen een miljoenste van een miljardste van een seconde. Het intense licht veroorzaakt fundamentele, onmiddellijke veranderingen in een vaste stof door de atomaire roosterstructuur te "schudden" en elektronen rond te bewegen. Maar wat gebeurt er precies op dat elementaire niveau? Hoe bewegen die atomen en elektronen eigenlijk?

Nu heeft een theorieteam van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg een nieuwe manier gevonden om die atomaire bewegingen te verlichten. In PNAS schetsen de onderzoekers hoe een laserpuls lichtemissie genereert bij hogere frequenties uit het materiaal, de zogenaamde hogere harmonischen. Dit hoogenergetische licht blijft echter niet hetzelfde, maar verandert bij elke beweging van het rooster. Naarmate de hoge harmonischen in intensiteit veranderen, bieden ze op elk exact moment 'snapshots' van de bewegingen van de atomen en elektronen.

Het team bestudeerde een monolaag van hexagonaal boornitride (hBN) van slechts één atoom dik, waarvan het rooster kan worden opgewonden om te trillen op tijdschalen van tientallen femtoseconden. Een eerste "pomp"-laserpuls raakt het materiaal, waardoor de atomen samen bewegen. Vervolgens prikkelt een tweede infraroodlaserpuls de elektronen nog verder, zodat ze de emissie van licht op nieuwe frequenties - de hoge harmonischen - veroorzaken. Deze bevatten de onderliggende informatie over de roostertrillingen (ook wel fononen genoemd). Door ze te analyseren, krijgen wetenschappers gedetailleerde nieuwe inzichten in die atomaire bewegingen.

Gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences , vertegenwoordigen de bevindingen van het team een ​​grote stap voorwaarts in het begrijpen van de fundamentele veranderingen in een vast materiaal terwijl het wordt bestraald door een intense laser. Het is ook een zeer efficiënte methode omdat onderzoekers tot nu toe veel geavanceerdere lichtbronnen nodig hadden om die elementaire bewegingen waar te nemen.

Bovendien toonde het team aan dat, zodra de atomen beginnen te trillen, de interactie tussen het materiaal en de initiële laserpuls verandert met de fase van de laser zelf. Dit betekent dat wetenschappers precies kunnen bepalen welke beweging in het rooster werd veroorzaakt door welke fase in de optische cyclus van de laser, alsof ze een stopwatch op dat specifieke moment zetten. Anders gezegd:het werk van het team heeft een zeer geavanceerde spectroscopische techniek opgeleverd met een extreme temporele resolutie. Binnen deze benadering kunnen roosterbewegingen tot op een enkele femtoseconde in kaart worden gebracht, maar zonder de noodzaak van röntgenstralen met hoge energie of attosecondepulsen, die veel moeilijker te gebruiken zijn.

"De belangrijkste impact van dit werk is dat we een startpunt vormen om te begrijpen hoe fononen een rol spelen in niet-lineaire interacties van lichte materie", zegt hoofdauteur Ofer Neufeld van de MPSD-theorieafdeling. "Met deze benadering kunnen we de structurele dynamiek van femtoseconden in vaste stoffen onderzoeken, inclusief faseovergangen, aangeklede fasen van materie en ook koppeling tussen elektronen en fononen." + Verder verkennen

Hoogenergetische elektronen gesynchroniseerd met ultrasnelle laserpulsen om te onderzoeken hoe trillingstoestanden van atomen in de tijd veranderen