Progresso na investigação da dinâmica eletrônica ultrarrápida usando pulsos de luz curtos
Caracterização da montagem experimental. a) Esquema das etapas envolvidas no experimento. Um par de pulsos XUV (desenhados em violeta) fotoemite elétrons de um cristal de ZnO. Os elétrons experimentam o campo dinâmico de um pulso de laser NIR (desenhado em vermelho) próximo à superfície em um tempo de espera variável. O local de emissão dos elétrons, bem como sua energia cinética após interação com o campo NIR são registrados utilizando um microscópio eletrônico de fotoemissão (PEEM). b) Diagrama de energia da superfície do ZnO e do detector de elétrons, que estão em contato eletricamente e assim têm seus níveis de Fermi alinhados. c) Espectro óptico dos pulsos XUV utilizados para fotoemissão de elétrons da superfície. A inserção mostra o padrão de fotoemissão linear gerado pelos pulsos XUV de uma superfície de ZnO. O campo de visão (FOV) da inserção é de 180 μm. d) Medição dos estados eletrônicos próximos ao nível de Fermi da superfície do ZnO. Foi realizado utilizando uma lâmpada de descarga de gás hélio emitindo energia de fótons de 21,2 eV e um analisador hemisférico para detecção de elétrons após fotoemissão. e) Espectro de energia cinética de fotoelétrons emitidos de uma superfície de ZnO usando o espectro mostrado em (c). A seção transversal de emissão dependente de energia dos estados Zn-3d e O-2p indicados em (d) foi usada como parâmetro de ajuste em combinação com o espectro óptico mostrado em (c) para replicar o espectro modulado mostrado em azul. A contribuição para a emissão de Zn-3d e O-2p pelos harmônicos individuais é mostrada em cores mais claras, respectivamente. Crédito:Pesquisa Física Avançada (2023). DOI:10.1002/apxr.202300122 Quando os elétrons se movem dentro de uma molécula ou semicondutor, isso ocorre em escalas de tempo inimaginavelmente curtas. Uma equipe sueco-alemã, incluindo o Dr. Jan Vogelsang, da Universidade de Oldenburg, fez agora um progresso significativo no sentido de uma melhor compreensão desses processos ultrarrápidos:os pesquisadores conseguiram rastrear a dinâmica dos elétrons liberados da superfície dos cristais de óxido de zinco usando pulsos de laser com resolução espacial na faixa nanométrica e com resolução temporal anteriormente não alcançada.
Com esses experimentos, a equipe demonstrou a aplicabilidade de um método que poderá ser utilizado para entender melhor o comportamento dos elétrons em nanomateriais e novos tipos de células solares, entre outras aplicações. Pesquisadores da Universidade de Lund, incluindo a professora Dra. Anne L'Huillier, uma das três ganhadoras do Nobel de física do ano passado, estiveram envolvidos no estudo publicado na revista
Advanced Physics Research .
Em seus experimentos, a equipe de pesquisa combinou um tipo especial de microscopia eletrônica conhecida como microscopia eletrônica de fotoemissão (PEEM) com tecnologia de física de attossegundos. Os cientistas usam pulsos de luz de duração extremamente curta para excitar elétrons e registrar seu comportamento subsequente. “O processo é muito parecido com um flash que captura um movimento rápido na fotografia”, explicou Vogelsang. Um attosegundo é incrivelmente curto – apenas um bilionésimo de bilionésimo de segundo.
Como relata a equipe, experimentos semelhantes até agora não conseguiram atingir a precisão temporal necessária para rastrear o movimento dos elétrons. As minúsculas partículas elementares giram muito mais rápido que os núcleos atômicos maiores e mais pesados. No presente estudo, entretanto, os cientistas combinaram as duas técnicas tecnologicamente exigentes, microscopia eletrônica de fotoemissão e microscopia de attosegundo, sem comprometer a resolução espacial ou temporal.
"Agora finalmente chegamos ao ponto em que podemos usar pulsos de attossegundos para investigar detalhadamente a interação da luz e da matéria no nível atômico e em nanoestruturas", disse Vogelsang.
Um fator que tornou possível esse progresso foi o uso de uma fonte de luz que gera uma quantidade particularmente alta de flashes de attossegundos por segundo – neste caso, 200.000 pulsos de luz por segundo. Cada flash liberou, em média, um elétron da superfície do cristal, permitindo aos pesquisadores estudar seu comportamento sem que eles influenciassem uns aos outros. “Quanto mais pulsos por segundo você gerar, mais fácil será extrair um pequeno sinal de medição de um conjunto de dados”, explicou o físico.
O laboratório de Anne L'Huillier na Universidade de Lund (Suécia), onde foram realizados os experimentos do presente estudo, é um dos poucos laboratórios de pesquisa no mundo que possui o equipamento tecnológico necessário para tais experimentos.
Vogelsang, pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Lund de 2017 a 2020, está atualmente montando um laboratório experimental semelhante na Universidade de Oldenburg. No futuro, as duas equipes planejam continuar suas investigações e explorar o comportamento dos elétrons em diversos materiais e nanoestruturas.
Mais informações: Jan Vogelsang et al, Microscopia eletrônica de fotoemissão resolvida no tempo em uma superfície de ZnO usando um par de pulsos de attosegundo ultravioleta extremo,
Pesquisa de Física Avançada (2023). DOI:10.1002/apxr.202300122
Fornecido por Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg
