Электроны в квантовой жидкости получают энергию от лазерных импульсов

До сих пор этот процесс наблюдался только в газовой фазе. Результаты исследования, проведенного Технологическим университетом Граца, открывают новые возможности для сверхбыстрой электронной микроскопии.

Схематическое изображение процесса ЛАЭС в сверхтекучем гелии: электрон сталкивается с образцом материала (красная звезда), тем самым поглощая энергию светового поля и меняя ее направление. Предоставлено: IEP – TU Graz.

Исследование и разработка материалов в решающей степени зависят от способности наблюдать мельчайшие объекты в кратчайшие сроки. Необходимое пространственное разрешение для исследований в (суб) атомном диапазоне может быть достигнуто с помощью электронной микроскопии. Однако для наиболее быстрых процессов, протекающих в пределах нескольких фемтосекунд (квадриллионных долей секунды), временное разрешение обычных электронных микроскопов оказывается недостаточным. Чтобы улучшить временную длительность электронных импульсов, электроны должны быть отобраны в более коротком временном окне – по аналогии с затвором камеры, который контролирует время экспозиции в фотографии.

В принципе, этот временной отбор возможен с помощью чрезвычайно коротких лазерных импульсов с помощью процесса, называемого рассеянием электронов с помощью лазера (LAES). В этом процессе электроны могут поглощать энергию светового поля во время столкновений с атомами исследуемого образца.

«Структурная информация предоставляется всеми электронами, но те, которые имеют более высокий уровень энергии, могут быть отнесены к временному окну, в котором присутствовал световой импульс. С помощью этого метода можно выбрать короткое временное окно из длинного электронного импульса и, таким образом, улучшить временное разрешение », – объясняет Маркус Кох, профессор Института экспериментальной физики Технологического университета Граца. Однако до сих пор процессы ЛАЭС наблюдались только в газовой фазе, несмотря на то, что их исследования продолжались около 50 лет.

Кох и его команда в сотрудничестве с исследователями из Института фотоники Венского технологического университета и Института химии при Токийском столичном университете впервые продемонстрировали время что рассеяние электронов с помощью лазера можно также наблюдать в конденсированных средах, особенно в сверхтекучем гелии.

Исследователи из TU Graz провели эксперимент в сверхтекучей капле гелия диаметром несколько нанометров (3-30 нм), в которую они загрузили отдельные атомы (индий или ксенон) или молекулы (ацетон), которые служили источником электронов – поле экспертиза в институте.

«Свободные электроны могут двигаться внутри капли почти без трения и поглощать больше энергии в световом поле, чем они теряют при столкновениях с атомами гелия», – говорит Леонард Трейбер, доктор философии. студент, ответственный за эксперимент. Результирующее ускорение позволяет наблюдать гораздо более быстрые электроны.

Эксперименты можно было интерпретировать в сотрудничестве с Маркусом Кицлер-Цайлером, экспертом по процессам сильного поля в TU Wien, а процесс LAES был подтвержден с помощью моделирования Рейкой Канья из Токийского столичного университета.

В будущем процесс LAES будет изучаться в тонких пленках из различных материалов, также производимых внутри капель гелия, чтобы определить важные параметры, такие как оптимальная толщина пленки или подходящая интенсивность лазерных импульсов для применения в электронном микроскопе.