Elétrons de alta energia acoplados a um laser foram usados para sondar o movimento atômico induzido em uma fina película de ouro. Um detector bidimensional mediu a intensidade e a direção dos elétrons espalhados pelos átomos de ouro. A mudança medida no espalhamento de elétrons com e sem exposição ao feixe de laser (o laser excita os átomos, aumentando suas vibrações) é mostrado na imagem superior. O espalhamento é mais forte na matriz regular de pontos azuis escuros na imagem associada à posição média dos átomos em sua matriz cristalina. A região nebulosa, ou salpico, em torno de um forte pico saturado (canto inferior direito) é comparado a um cálculo (canto inferior esquerdo) do espalhamento difuso direcionalmente dependente relacionado ao movimento térmico coletivo dos átomos. Essas medições são importantes para compreender os estados energéticos e o transporte térmico em materiais - fundamentais para muitas tecnologias, como dispositivos termoelétricos. Crédito:Departamento de Energia dos EUA
Uma nova técnica ultrarrápida, usando elétrons de alta energia acoplados a uma bomba de laser, revelou insights sobre a dinâmica vibracional atômica em um filme fino de ouro aquecido a laser. Esta técnica mediu diretamente o espectro de fônons (pacotes quantizados de energia relacionados às vibrações da rede atômica) e explorou a transferência de energia dos elétrons excitados do laser para as vibrações atômicas da rede atômica. Este trabalho demonstra que instrumentos especializados de difração de elétrons ultrarrápidos podem adicionar ao conjunto de técnicas de bomba / sonda a laser resolvidas no tempo, capazes de explorar excitações em materiais.
Excitação ultrarrápida e transferência de energia em escala atômica são importantes nas transições de fase, reações químicas, e fluxo de energia macroscópica. Quadros de tempo vibracional relevantes ocorrem em femtossegundos (mova o ponto decimal por 1,0 segundo 15 vezes para a esquerda). Esta pesquisa estabeleceu a utilidade desta técnica para resolver a mudança dos estados vibracionais, cuja compreensão pode promover uma gama de aplicações, desde supercondutividade até transições de fase induzidas por laser.
As interações dos elétrons e dos átomos em que residem são importantes para uma série de fenômenos, do transporte fundamental de elétrons e spin, às transições de fase induzidas por laser. A maioria das técnicas experimentais são limitadas em sua capacidade de investigar vibrações atômicas (fônons) porque, como um termômetro, eles calculam a média de todos os estados vibracionais do material. Agora, a pesquisa liderada pelo Laboratório Nacional de Aceleração SLAC mediu diretamente a faixa de frequência total e o comportamento dependente do tempo dos fônons em um filme fino de ouro aquecido a laser. Na configuração experimental, elétrons de alta energia foram emitidos de um eletrodo por um pulso de laser ultrarrápido. Ambos os pulsos, elétrons e luz, continuou com a amostra. O pulso de laser chegou primeiro e excitou os elétrons residentes no material dourado, que foi então testado espalhando o pulso de elétron subsequente em um detector. A técnica de bomba / sonda, envolvendo a fonte de difração de elétrons ultrarrápida recentemente desenvolvida, mediu as posições dos átomos em função do tempo controlado e variável entre a bomba e a sonda.
A análise das vibrações atômicas ajuda a determinar como a energia da luz, primeiro absorvido pelos elétrons em torno dos átomos, eventualmente é transferido para o movimento dos próprios átomos. A análise mostrou tempos de acoplamento variáveis entre as excitações de elétrons e fônons. Os resultados confirmaram que a energia é transferida mais rapidamente para vibrações de frequência mais alta do que para fônons em frequências mais baixas. Esta nova ferramenta pode ser usada para entender o transporte de energia em seu menor comprimento e escalas de tempo e, assim, avançar na compreensão dos fenômenos de materiais onde a energia térmica é criticamente importante, como em dispositivos supercondutores e termoelétricos.
