Em experimentos no SLAC, A luz intensa do laser (vermelha) brilhando através de um cristal de óxido de magnésio excitou os elétrons de "valência" mais externos dos átomos de oxigênio dentro dele. Quando esses elétrons atingem átomos vizinhos, as colisões geraram luz de energia muito mais alta e comprimentos de onda mais curtos (azul) por meio de um processo chamado geração de alta harmônica. Girar o cristal e analisar a luz gerada revelou a densidade dos elétrons de valência do átomo vizinho, que não podia ser visto diretamente antes. Crédito:SLAC National Accelerator Laboratory
Pode ser insensato julgar um livro pela capa, mas você pode dizer muito sobre um material a partir dos elétrons mais externos em seus átomos.
"Esses elétrons mais externos, conhecido como elétrons de valência, são os jogadores mais importantes na formação de ligações químicas e realmente definem quase todas as propriedades de um sólido - elétrico, térmico, condutor, "disse Shambhu Ghimire, um cientista associado da equipe do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia.
Agora Ghimire e dois colegas do Stanford PULSE Institute inventaram uma nova maneira de sondar os elétrons de valência de átomos nas profundezas de um sólido cristalino.
Em um relatório hoje em Física da Natureza , eles descrevem o uso de luz laser para excitar alguns dos elétrons de valência, conduza-os dentro do cristal e elimine-os de outros átomos. Isso produz rajadas de luz de alta energia que são invisíveis aos nossos olhos, mas trazem pistas sobre a estrutura e função atômica do material.
"Isso mudará o mundo da imagem do interior de sólidos cristalinos, "Ghimire disse, "tanto quanto microscopia de varredura por tunelamento, ou STM, mudou a imagem em escala atômica de superfícies. "
Uma nova maneira de olhar para átomos em sólidos
Inventado no início dos anos 1980, STM foi um método revolucionário que permitiu aos cientistas fazer as primeiras imagens de átomos individuais e suas ligações. Foi homenageado com o Prêmio Nobel de Física de 1986.
Mas o STM detecta elétrons de valência apenas nas duas ou três camadas superiores de átomos em um material. Um fluxo desses elétrons na ponta do instrumento cria uma corrente que permite medir a distância entre a ponta e a superfície, traçando as saliências onde os átomos se destacam e os vales entre eles. Isso cria uma imagem dos átomos e produz informações sobre as ligações que os mantêm unidos.
Pesquisador de pós-doutorado Yong Sing You, deixou, e o cientista associado Shambhu Ghimire no laboratório de laser PULSE no SLAC, onde os experimentos foram realizados. Crédito:SLAC National Accelerator Laboratory
Agora, a nova técnica dará aos cientistas o mesmo nível de acesso aos elétrons de valência nas profundezas do sólido.
Os experimentos, realizado em um laboratório de laser SLAC pelo pesquisador de pós-doutorado da PULSE Yong Sing You, cristais envolvidos de óxido de magnésio ou magnésia, um mineral comum usado para fazer cimento, preservar os livros da biblioteca e limpar o solo contaminado, entre uma série de outras coisas.
Esses cristais também têm a capacidade de mudar a luz laser de entrada para comprimentos de onda muito mais curtos e energias mais altas - da mesma forma que pressionar uma corda de violão produz uma nota mais alta - por meio de um processo chamado geração de alta harmônica, ou HHG.
Elétrons de direção para gerar luz
Nesse caso, os cientistas ajustaram cuidadosamente o feixe de laser infravermelho que entrava para excitar os elétrons de valência nos átomos de oxigênio do cristal. Esses elétrons oscilavam, como cordas de violão vibrando, e gerou luz de comprimentos de onda muito mais curtos - na faixa ultravioleta extrema - por meio de HHG.
Mas quando eles ajustaram a polarização do feixe de laser para orientar os elétrons excitados ao longo de diferentes trajetórias dentro do cristal, eles descobriram que o HHG só ocorreu quando um elétron atingiu um átomo vizinho, e foi mais eficiente quando atingiu o ponto morto do átomo. Avançar, o comprimento de onda da luz gerada harmonicamente saindo - que era 13 a 21 vezes menor do que a luz que entrava - revelou a densidade dos elétrons de valência do átomo vizinho, o tamanho do átomo e até mesmo se era um átomo de oxigênio ou magnésio.
"É difícil localizar os elétrons de valência com os métodos atuais de medição da densidade de carga do elétron, que normalmente usam raios-X ou difração de elétrons, "disse o co-autor do estudo David Reis, professor associado do SLAC e Stanford e vice-diretor do PULSE. "Portanto, demonstrar que podemos fazer isso com sensibilidade em escala atômica em um experimento de mesa a laser é um marco importante."
Alan Fry, diretor da divisão de ciência e tecnologia do laser no Linac Coherent Light Source de raios-X da SLAC, não estava envolvido no experimento, mas ofereceu elogios "à equipe que desenvolveu esta técnica e que continua a fazer pesquisas interessantes e interessantes com ela".
Embora esta abordagem possa ser limitada a materiais que podem gerar luz por meio de HHG, ele disse, "ainda pode dizer muito sobre a estrutura eletrônica dentro desses sólidos, e, em princípio, pode nos dar uma melhor compreensão de outros materiais que não têm a mesma resposta. A compreensão de sistemas simples como esse cria uma base para a compreensão de sistemas mais complexos. "
