فیزیکدانان از پالس های لیزر فوق کوتاه برای بررسی دینامیک عکسبرداری استفاده می کنند

تحریک اتمهای گاز باعث می شود پرتوهای لیزر مادون قرمز متقاطع (به رنگ قرمز) در رزوناتور برای انسان قابل مشاهده باشد.

فیزیکدانان دانشگاه لودویگ-ماکسیمیلیان در مونیخ (LMU) و موسسه اپتیک کوانتوم ماکس پلانک (MPQ) از پالس های لیزر فوق کوتاه برای بررسی دینامیک انتشار فوتوالکترون در بلورهای تنگستن استفاده کرده اند.

تقریباً یک قرن پیش ، آلبرت انیشتین به دلیل توضیح در مورد اثر فوتوالکتریک جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. نظریه انیشتین که در سال 1905 منتشر شد ، این ایده را شامل می شود که نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است. وقتی نور به ماده برخورد می کند ، الکترونهای موجود در نمونه به ورودی انرژی پاسخ می دهند و اثر متقابل باعث ایجاد چیزی می شود که به عنوان اثر فوتوالکتریک شناخته می شود. کوانتاهای نوری (فوتون ها) توسط ماده جذب شده و الکترون های مقید را تحریک می کنند. بسته به طول موج منبع نور ، این می تواند منجر به بیرون انداختن الکترون شود. ساختار باند الکترونیکی مواد درگیر تأثیر مهمی در بازه های زمانی انتشار عکس دارد.

فیزیکدانان مستقر در دانشگاه لودویگ-ماکسیمیلیان (LMU) در مونیخ و موسسه ماکس پلانک برای اپتیک کوانتوم (MPQ) اکنون نگاه دقیق تری به پدیده انتشار عکس دارند. آنها تأثیر ساختار باند تنگستن را بر پویایی انتشار فوتوالکترون اندازه گیری کرده و تفسیرهای نظری مشاهدات خود را ارائه می دهند.

این امر به لطف توسعه و پالایش مداوم فناوری attosecond امکان پذیر است. یک "ثانیه ثانیه" مربوط به 10-18 ثانیه است ، یعنی یک میلیاردیم میلیاردیم ثانیه. توانایی تولید قطار پالس هایی از نور لیزر که برای چند صد ثانیه طول می کشد ، محققان را قادر می سازد تا از طریق انتشار انجماد در فواصل منظم - به طور مشابه با استروبوسکوپ ، روند انتشار عکس را دنبال کنند - به طور مشابه با استروبوسکوپ ، اما با وضوح زمانی بسیار بهتر.

در یک سری آزمایش طیف سنجی فوتوالکترون ، این تیم از پالس های آتوسکند ثانیه از اشعه ماورا بنفش شدید برای بررسی دینامیک انتشار عکس از یک کریستال تنگستن استفاده کردند. هر پالس حاوی چند صد فوتون اشعه ایکس بود که هر کدام آنقدر انرژی دارند که می توانند فوتوالکترون را از جای خود خارج کنند. با کمک ردیاب هایی که در جلوی کریستال نصب شده اند ، تیم قادر به شناسایی الکترون های خارج شده از نظر زمان پرواز و زاویه انتشار است.

نتایج نشان داد که الکترونهایی که با فوتونهای ورودی ارتباط برقرار می کنند ، برای پاسخ دادن به چنین برخوردهایی به زمان کمی نیاز دارند. این یافته با اتخاذ رویکرد جدیدی برای تولید پالس های آتوسکند امکان پذیر شد. به لطف معرفی یک تشدید کننده حفره غیرفعال با ضریب تقویت 35 ، اکنون این تنظیم جدید می تواند پالس های آتوسکند را با سرعت 18.4 میلیون در ثانیه تولید کند ، تقریباً 1000 برابر بیشتر از آن که قبلاً در سیستم های قابل مقایسه بود. از آنجا که سرعت تکرار پالس بسیار زیاد است ، فقط تعداد کمی فوتوالکترون در هر پالس برای تأمین شار متوسط ​​بالا کافی است.

"از آنجا که فوتوالکترون های دارای بار منفی یکدیگر را دفع می کنند ، انرژی جنبشی آنها در معرض تغییر سریع است. به منظور مشخص کردن پویایی آنها ، توزیع آنها در تعداد بیشتری از پالس های آتوساندی مهم است ، "همانطور که اولین نویسنده مشترک دکتر توبیاس ساول توضیح می دهد. افزایش ضربان نبض به این معنی است که ذرات فرصت کمی برای تعامل با یکدیگر دارند زیرا در زمان و مکان به خوبی توزیع شده اند ، به طوری که حداکثر تفکیک انرژی تا حد زیادی حفظ می شود. به این ترتیب ، تیم توانست نشان دهد که از نظر سینتیک انتشار عکس ، الکترونها در حالتهای انرژی همسایه در باند ظرفیت (یعنی دورترین مدارهای اتمها در کریستال) ، که دارای گشتاور زاویه ای متفاوت هستند نیز متفاوت هستند چند ده ثانیه در زمانی که برای پاسخ به فوتونهای ورودی صرف می شود.

به طور قابل توجهی ، آرایش اتم ها در داخل بلور تأثیر قابل اندازه گیری در تأخیر بین رسیدن نبض نور و بیرون انداختن فوتوالکترون ها دارد. "یک کریستال از انبوهی از اتم ها تشکیل شده است که همه هسته های آنها بار مثبت دارند. هر هسته منبع یک پتانسیل الکتریکی است ، که الکترونهای دارای بار منفی را به خود جلب می کند - به همان روشی که یک سوراخ گرد به عنوان یک چاه بالقوه برای سنگ مرمر عمل می کند. " "وقتی یک الکترون از یک کریستال جدا می شود ، آنچه اتفاق می افتد کمی شبیه پیشرفت سنگ مرمر در وسط یک میز است که دارای فرورفتگی است.

این فرورفتگی ها نشان دهنده موقعیت تک تک اتم ها در بلور است و به طور منظم مرتب می شوند. مسیر حرکت سنگ مرمر مستقیماً تحت تأثیر حضور آنها است و با آنچه در سطح صاف مشاهده می شود متفاوت است. " استفان هاینریش توضیح می دهد: "ما در حال حاضر نشان داده ایم که چگونه چنین پتانسیل دوره ای درون یک بلور بر رفتار زمانی اشعه عکس تأثیر می گذارد - و از نظر تئوری می توانیم آن را حساب کنیم." تأخیرهای مشاهده شده را می توان به ماهیت پیچیده انتخاب شدگان نسبت داد