Uma nova técnica desenvolvida por uma equipe do MIT pode mapear a estrutura completa da banda eletrônica de materiais em alta resolução. Esta capacidade é geralmente exclusiva para grandes instalações de síncrotron, mas agora está disponível como uma configuração baseada em laser de mesa no MIT. Esta técnica, que usa pulsos de laser ultravioleta extremo (XUV) para medir a dinâmica dos elétrons via espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES), é denominado XUV ARPES de resolução temporal.

Ao contrário da configuração baseada em síncrotron, esta configuração baseada em laser fornece ainda um recurso de tempo resolvido para observar os elétrons dentro de um material de uma forma muito rápida, escala de tempo de femtossegundos (quatrilionésimo de segundo). Comparando esta técnica rápida em uma escala de tempo e distância, enquanto a luz pode viajar da lua para a Terra em cerca de um segundo, ele só pode viajar até a espessura de uma única folha de papel de cópia regular em um femtossegundo.

A equipe do MIT avaliou a resolução do instrumento usando quatro materiais exemplares que representam um amplo espectro de materiais quânticos:um semimetal Weyl topológico, um supercondutor de alta temperatura crítica, um semicondutor em camadas, e um sistema de onda de densidade de carga.

A técnica é descrita em um artigo publicado na revista. Nature Communications , de autoria dos físicos do MIT Edbert Jarvis Sie Ph.D. '17, ex-pós-doutorado Timm Rohwer, Changmin Lee Ph.D. '18, e o professor de física do MIT Nuh Gedik.

Um objetivo central da física moderna da matéria condensada é descobrir novas fases da matéria e exercer controle sobre suas propriedades quânticas intrínsecas. Tais comportamentos estão enraizados na forma como a energia dos elétrons muda em função de seu momento dentro de diferentes materiais. Essa relação é conhecida como estrutura de banda eletrônica de materiais e pode ser medida por espectroscopia de fotoemissão. Esta técnica usa luz com alta energia de fótons para afastar os elétrons da superfície do material - um processo anteriormente conhecido como efeito fotoelétrico, pelo qual Albert Einstein recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1921. A velocidade e a direção dos elétrons que saem podem ser medidas em um ângulo resolvido para determinar a relação de energia e momento dentro do material.

A interação coletiva entre os elétrons nesses materiais muitas vezes vai além das previsões dos livros didáticos. Um método para estudar essas interações não convencionais é promover os elétrons a níveis de energia mais elevados e observar como eles voltam ao estado fundamental. Isso é chamado de método "bomba e sonda", que basicamente é o mesmo método que as pessoas usam em sua vida cotidiana para perceber novos objetos ao seu redor. Por exemplo, qualquer um pode jogar uma pedra na superfície da água e observar como as ondulações diminuem para observar a tensão superficial e a acústica da água. A diferença na configuração do MIT é que os pesquisadores usam pulsos de luz infravermelha para "bombear" os elétrons para o estado excitado e os pulsos de luz XUV para "sondar" os elétrons fotoemitidos após um intervalo de tempo.

A espectroscopia de fotoemissão com resolução de tempo e ângulo (trARPES) captura filmes da estrutura de banda eletrônica do sólido com resolução de tempo de femtossegundo. Esta técnica fornece insights inestimáveis ​​sobre a dinâmica do elétron, o que é crucial para entender as propriedades dos materiais. Contudo, tem sido difícil acessar elétrons de momento elevado com resolução de energia estreita via ARPES baseado em laser, restringindo severamente o tipo de fenômeno que pode ser estudado com esta técnica.

O recém-desenvolvido XUV trARPES configurado no MIT, que tem aproximadamente 3 metros de comprimento, pode gerar uma fonte de luz ultravioleta extrema de femtossegundo em alta resolução de energia. "XUV será rapidamente absorvido pelo ar, então nós alojamos a ótica no vácuo, "Sie diz." Cada componente da fonte de luz à câmara de amostra é projetado no computador com uma precisão milimétrica. "Esta técnica permite acesso total à estrutura de banda eletrônica de todos os materiais com resolução de energia estreita sem precedentes em escalas de tempo de femtossegundos." Para demonstrar a resolução de nossa configuração, não é suficiente medir a resolução da fonte de luz sozinha, "Sie diz." Devemos verificar as verdadeiras resoluções de medições reais de fotoemissão usando uma ampla gama de materiais - os resultados são muito satisfatórios! "

A montagem final da configuração do MIT compreende vários instrumentos emergentes que estão sendo desenvolvidos simultaneamente na indústria:fonte de luz XUV de femtossegundo (XUUS) da KMLabs, Monocromador XUV (OP-XCT) da McPherson, e analisador de elétrons de tempo de vôo com resolução de ângulo (ARToF) da Scienta Omicron. "Acreditamos que esta técnica tem o potencial de ultrapassar os limites da física da matéria condensada, "Gedik diz, "portanto, trabalhamos com empresas relevantes para atingir essa capacidade de liderança."

A configuração do MIT pode medir com precisão a energia dos elétrons com momentos altos. "A combinação do analisador de elétrons de tempo de voo e a fonte de luz de femtossegundo XUV nos dá a capacidade de medir a estrutura de banda completa de quase todos os materiais, "Rohwer diz, "Ao contrário de algumas outras configurações, não precisamos inclinar repetidamente a amostra para mapear a estrutura da banda - e isso nos economiza muito tempo! "

Outro avanço significativo é a capacidade de alterar a energia do fóton. "A intensidade da fotoemissão geralmente varia significativamente com a energia do fóton usada no experimento. Isso ocorre porque a seção transversal da fotoemissão depende do caráter orbital dos elementos que formam o sólido, "Diz Lee." A sintonização da energia do fóton fornecida por nossa configuração é extremamente útil para aumentar a contagem de fotoemissão de bandas específicas nas quais estamos interessados. "

Patrick S. Kirchmann, cientista da equipe do Stanford Institute for Materials and Energy Science, um especialista em técnicas ARPES, diz, "Como um praticante, acredito que trARPES é profundamente útil. Qualquer material quântico, isolante topológico, ou a questão da supercondutividade lucra com a compreensão da estrutura de bandas em não equilíbrio. A ideia básica do trARPES é simples:ao detectar o ângulo de emissão e a energia dos elétrons fotoemitidos, podemos gravar a estrutura da banda eletrônica. Feito após excitar a amostra com luz, podemos registrar mudanças na estrutura da banda que nos fornece 'filmes eletrônicos, "que são filmados em taxas de quadros de sua escala de tempo natural de femtossegundos."

Comentando sobre as novas descobertas do grupo de pesquisa Gedik no MIT, Kirchmann diz, "O trabalho de Sie e Gedik estabelece um novo padrão ao atingir 30 meV [mili-elétron-volt] de largura de banda, mantendo uma resolução de tempo de 200 femtossegundos. Ao incorporar grades intercambiáveis ​​em sua configuração, também será possível alterar essa partição do produto de largura de banda de tempo. Essas conquistas permitirão estudos de alta definição, há muito necessários, de materiais quânticos com resolução de energia alta o suficiente para fornecer insights profundos. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.