In samenwerking met het Center for Nano-Optics van de Georgia State University in Atlanta, wetenschappers van het Laboratory for Attosecond Physics van het Max Planck Institute of Quantum Optics en de Ludwig-Maximilians-Universität hebben simulaties gemaakt van de processen die plaatsvinden wanneer een laag koolstofatomen wordt bestraald met sterk laserlicht.

Elektronen die door sterke laserpulsen worden geraakt, veranderen hun locatie op ultrakorte tijdschalen, d.w.z. binnen een paar attoseconden (1 as =10-18 sec). In samenwerking met het Center for Nano-Optics van de Georgia State University in Atlanta (VS), wetenschappers van het Laboratory for Attosecond Physics (LAP) van het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) en de Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) hebben simulaties gemaakt van processen die plaatsvinden wanneer elektronen in een laag koolstofatomen interageren met sterke laserlicht. Het doel van deze simulaties is om inzicht te krijgen in licht-materie-interacties in de microkosmos. Een beter begrip van de onderliggende fysieke processen zou kunnen leiden tot door lichtgolven aangedreven elektronica die zou werken op lichtfrequenties, dat honderdduizend keer sneller is dan de modernste technologieën. Grafeen met zijn uitzonderlijke eigenschappen wordt als zeer geschikt beschouwd als voorbeeldsysteem voor prototype-experimenten.

Hoe dichter we de beweging van elektronen observeren, hoe beter we hun interactie met licht begrijpen. Veel verschijnselen die optreden in gecondenseerde materie als gevolg van sterke veldlicht-materie-interactie zijn nog niet volledig begrepen. Omdat de onderliggende processen plaatsvinden binnen femto- of zelfs attoseconden, het is moeilijk om toegang te krijgen tot deze intra-atomaire kosmos:een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde; een attoseconde is zelfs duizend keer korter. Experimentele methoden die deze uitdaging het hoofd kunnen bieden, bevinden zich in een ontwikkelingsfase. Echter, het is mogelijk om deze processen te onderzoeken met behulp van numerieke simulaties.

Het team van wetenschappers van LAP en Georgia State University heeft berekend wat er gebeurt met elektronen in grafeen die interageren met een intense laserpuls. Het laserveld prikkelt en verplaatst elektronen, waardoor de verdeling van de ladingsdichtheid verandert. Tijdens dit proces, een extreem korte elektronenpuls wordt verstrooid van de sonde. De diffractiekaart van deze materiegolven geeft weer hoe de verdeling van de elektronendichtheid in de grafeenlaag is veranderd door de laserpuls.

Deze simulaties hebben complexe relaties onthuld tussen de excitatie van valentie-elektronen door licht en hun daaropvolgende ultrasnelle beweging binnen en tussen de koolstofatomen in de grafeenlaag. Valentie-elektronen zijn zwak gebonden en worden gedeeld door naburige atomen. De wetenschappers onderzochten hun beweging door microscopisch kleine volumes te identificeren die verschillende chemische bindingen vertegenwoordigen en de elektrische lading in deze volumes te analyseren. Tijdens een laserpuls, er is een aanzienlijke herverdeling van de lading; tegelijkertijd, de verplaatsing van de elektronen veroorzaakt door het elektromagnetische veld van de laserpuls is erg klein, minder dan een picometer (10-12 m). Naast dat, de berekeningen toonden aan dat de door licht geïnduceerde elektrische stroom een ​​inhomogene microscopische verdeling heeft, stromen langs de chemische bindingen tussen de koolstofatomen.

Deze simulaties zouden nieuwe ultrasnelle elektronendiffractiemetingen moeten ondersteunen. "We zullen mogelijk nieuwe fenomenen ontdekken, en misschien afwijkingen van onze voorspellingen waarnemen", wijst projectleider Vladislav Jakovlev op. "Maar we zijn er vrij zeker van dat er nogal wat fundamentele fysica wacht om te worden waargenomen in uitdagende maar haalbare metingen op atomaire schaal."