Dit kristalrooster bestaat uit een groot aantal eenheidscellen met een identieke atomaire rangschikking. In het elementaire adiabatische beeld volgen de bewegingen van elektronen in het kristal onmiddellijk de beweging van de atoomkernen, d.w.z. atoomkernen en elektronen bewegen als een enkele entiteit. Hoewel dit fysieke beeld geldig is voor de binnenste, zogenaamde kernelektronen van een atoom, faalt het voor de valentie-elektronen, die worden gedeeld door verschillende atomen in zijn eenheidscel. Een speciaal type fononen, de zachte modi, kan elektronen verplaatsen en zo de elektrische eigenschappen van een kristal aanzienlijk veranderen. De eigenschappen van zachte modi zijn al tientallen jaren onderzocht, maar worden onvoldoende begrepen. Een belangrijke voorwaarde voor een beter begrip is het gelijktijdig in kaart brengen van atomaire trillingen en ladingsbewegingen. Dit kan worden gedaan door femtoseconde röntgendiffractie.

Onderzoekers van het Max Born Instituut in Berlijn hebben nu in ruimte en tijd gecoördineerde elektronen- en kernbewegingen in kristallijne vaste stoffen opgehelderd. Zoals ze melden in een recente publicatie in Physical Review Letters , fononbewegingen drijven elektronen over afstanden in het kristal die ongeveer 500 keer groter zijn dan de nucleaire verplaatsingen. Femtoseconde röntgenpoederdiffractie-experimenten op twee prototypische kristallen, kubisch boornitride (cBN) en kaliumdiwaterstoffosfaat (KH₂ PO₄ , KDP), een ionisch materiaal, leidde tot de ontdekking van twee verwante verschijnselen. (i) Excitatie van akoestische zonegrens fononen in cBN is verbonden met een verplaatsing van valentie-elektronen van interstitiële gebieden van de eenheidscel naar de atomen, waardoor de elektronenverdeling in de ruimte wordt verscherpt. (ii) Coherente excitatie van een laagfrequente zachte modus in para-elektrische KDP resulteert in een langdurige, zogenaamde ondergedempte slingering van elektronen tussen atomen.

Het team heeft een Raman-pomp-röntgendiffractiesondetechniek geïmplementeerd in combinatie met de Maximum Entropy Method (MEM) voor analyse van de ladingsdichtheid om een ​​reeks snapshots van de elektronendichtheid in de eenheidscel van het respectieve kristal te maken. Röntgendiffractie is erg gevoelig voor zowel atomaire als valentielading, en vormt dus een perfect hulpmiddel om nucleaire posities en valentieladingsdichtheid in kaart te brengen op atomaire lengte- en tijdschalen. In de experimenten triggert een ultrakorte optische puls atomaire fononbewegingen in een poedermonster, bestaande uit kleine kristallieten, via impulsieve Raman-excitatie (de pomp). Femtoseconde harde röntgenpulsen (de sonde) worden afgebogen van het geëxciteerde monster en genereren een diffractie-momentopname van de tijdelijke ladingsrangschikking in de eenheidscel van het kristal. Door de aankomsttijd van de sondepuls te wijzigen ten opzichte van de pomppuls, kan een diffractiepatroon worden opgenomen voor elke pompsondevertraging, wat resulteert in een film van de gepromote nucleaire en elektronische bewegingen. Off-resonante impulsieve Raman-excitatie zorgt ervoor dat het kristal in zijn elektronische grondtoestand blijft.

Figuur 1 toont de voorbijgaande intensiteit van (111) Bragg-reflectie van cBN na tweede orde Raman-excitatie van akoestische zonegrens fononen. De waargenomen toename van de diffractie-intensiteit toont het meest direct een verplaatsing van valentie-elektronen van interstitiële gebieden van de eenheidscel naar de atomen, zoals gevisualiseerd in de tijdelijke elektronendichtheidskaarten voor verschillende pompsondevertragingen (figuur 2). De oscillaties zijn afkomstig van een coherente superpositie van fononen met een iets andere frequentie.

Fig. 3 toont tijdelijke elektronendichtheidskaarten van para-elektrische KDP voor twee pompsondevertragingen na coherente excitatie van een zachte modus. De oscillerende beweging van de kernen leidt tot een langdurige slingering van elektronen tussen atomen in de ionische eenheidscel. Dit gedrag staat in schril contrast met voorspellingen uit de literatuur en is te wijten aan het longitudinale karakter van de kernbewegingen. De elektronendichtheidskaarten vertonen zowel een valentie-ladingoverdracht tussen de K- en P-atomen [paneel (b)] en een uitgesproken elektronenverplaatsing binnen het fosfaation van de P- naar de O-atomen [paneel (c)].

Het meest interessante is het feit dat in beide gevallen de waargenomen verplaatsing van elektronische lading plaatsvindt op de lengteschaal van interatomaire afstanden, d.w.z. meerdere angströms (10 ^-10 m) terwijl de onderliggende nucleaire verplaatsingen plaatsvinden op de subpicometer (10 ^-12 m) schaal. Op deze manier wordt de elektrostatische energie-inhoud van het kristal geminimaliseerd gedurende de periode waarin de fonon-excitaties bestaan. Deze bevindingen dienen als een maatstaf voor het ontwikkelen van een adequate kwantumbeschrijving van zachte modi en effenen de weg voor toekomstige studies van een breed scala aan functionele materialen met bijvoorbeeld ferro-elektrische eigenschappen. + Verder verkennen

Hammer-on techniek voor atomaire trillingen in een kristal