Met behulp van röntgenlaserpulsen die een miljoen keer korter zijn dan een oogwenk, hebben wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy de ultrasnelle beweging van elektronen in materialen vastgelegd, wat nieuw inzicht verschaft in hoe subatomaire interacties plaatsvinden.

De hoogenergetische pulsen, geproduceerd door SLAC's röntgenvrije-elektronenlaser, de Linac Coherent Light Source (LCLS), lieten de onderzoekers toe om de atoomkernen in een halfgeleidermateriaal te "zien" trillen en schudden, en te zien hoe elektronen racen en circuleren. om hen heen met bijna de snelheid van het licht.

De waarnemingen kunnen wetenschappers helpen nieuwe materialen te ontwikkelen met op maat gemaakte elektronische eigenschappen, zoals die nodig zijn voor krachtigere elektronica, snelle gegevensverwerking en nieuwe opto-elektronische apparaten.

Het onderzoeksteam van SLAC gebruikte een speciale bundellijn bij LCLS, het X-ray Pump-Probe-instrument, dat is ontworpen om subatomaire processen in slow motion te bekijken. De bundellijn heeft een speciale röntgencamera die nauwkeurig de posities en bewegingen van elektronen en kernen in materialen vastlegt.

De onderzoekers stuurden een korte, intense röntgenpuls naar een monster galliumarsenide, een halfgeleidermateriaal, om een ​​deel van de elektronen uit hun banen rond de atoomkernen te slaan. Op het moment dat de röntgenstraling insloeg, verlichtte een tweede, zwakkere röntgenpuls het monster terwijl de elektronen zichzelf herschikten, waardoor momentopnamen van de atomen en hun wervelende elektronenwolken ontstonden.

"We ontdekten dat sommige elektronen sneller op de röntgenpulsen reageerden dan verwacht", zegt Jun-Sik Lee, stafwetenschapper en co-auteur van SLAC. "Ze waren in wezen aan het surfen op de golf die werd gecreëerd door de röntgenpuls, waardoor ze extra energie kregen en versnelden tot ongelooflijk hoge snelheden."

"Het was een verrassing om de elektronen te zien surfen, maar toen we onze beelden zorgvuldig analyseerden, beseften we dat dit niet zo had moeten zijn", zegt Mike Dunne, directeur van Linac Coherent Light Source (LCLS), co-auteur van het onderzoek. "Het was gewoon een van die gevallen waarin het gedrag dat we observeerden door iemand anders was voorspeld - in dit geval door theoretici zo'n 70 jaar geleden."