A absorção de energia da luz laser por elétrons livres em um líquido foi demonstrada pela primeira vez. Até agora, esse processo foi observado apenas na fase gasosa. As evidências, liderado pela Graz University of Technology, abrir novas portas para microscopia eletrônica ultrarrápida.

A investigação e o desenvolvimento de materiais dependem crucialmente da capacidade de observar os menores objetos em escalas de tempo mais rápidas. A resolução espacial necessária para investigações na faixa (sub) atômica pode ser obtida com microscopia eletrônica. Para os processos mais rápidos, Contudo, procedendo dentro de alguns femtossegundos (quatrilionésimos de segundo), a resolução de tempo dos microscópios eletrônicos convencionais é insuficiente. Para melhorar o tempo de duração dos pulsos de elétrons, elétrons teriam que ser selecionados dentro de uma janela de tempo mais curta - em analogia com o obturador de uma câmera, que controla o tempo de exposição na fotografia.

Em princípio, essa seleção temporal é possível com pulsos de laser extremamente curtos por meio de um processo chamado espalhamento de elétrons assistido por laser (LAES). Nesse processo, elétrons podem absorver energia do campo de luz durante colisões com átomos da amostra sob investigação. "As informações estruturais são fornecidas por todos os elétrons, mas aqueles que têm um nível de energia mais alto podem ser atribuídos à janela de tempo em que o pulso de luz estava presente. Com este método, é possível selecionar uma janela de tempo curta do pulso de elétron longo e, assim, melhorar a resolução de tempo, "explica Markus Koch, professor do Instituto de Física Experimental da Graz University of Technology. Até aqui, Contudo, Os processos LAES só foram observados na fase gasosa, apesar de sua investigação por cerca de 50 anos.

Koch e sua equipe, em colaboração com pesquisadores do Instituto de Fotônica da Universidade de Tecnologia de Viena e do Instituto de Química da Universidade Metropolitana de Tóquio, agora demonstraram pela primeira vez que o espalhamento de elétrons assistido por laser também pode ser observado na matéria condensada, especificamente no hélio superfluido.

Hélio superfluido levando ao sucesso

Os pesquisadores da TU Graz realizaram o experimento em uma gota de hélio superfluido de poucos nanômetros de diâmetro (3-30 nm), no qual carregavam átomos individuais (índio ou xenônio) ou moléculas (acetona) que serviam como fonte de elétrons - um campo de especialização do instituto. "Os elétrons livres podem se mover quase sem atrito dentro da gota e absorver mais energia no campo de luz do que perdem em colisões com os átomos de hélio, "diz Leonhard Treiber, o Ph.D. aluno encarregado do experimento. A aceleração resultante permite a observação de elétrons muito mais rápidos.

Os experimentos podem ser interpretados em cooperação com Markus Kitzler-Zeiler, um especialista em processos de campo forte na TU Wien, e o processo LAES foi confirmado por meio de simulações por Reika Kanya da Tokyo Metropolitan University. Os resultados foram publicados em Nature Communications .

No futuro, o processo LAES será estudado em filmes finos de vários materiais, também produzido dentro de gotículas de hélio, a fim de determinar parâmetros importantes, como a espessura ideal do filme ou a intensidade favorável dos pulsos de laser para aplicação em um microscópio eletrônico.