Se utilizaron electrones de alta energía acoplados a un láser para sondear el movimiento atómico inducido en una fina película de oro. Un detector bidimensional midió la intensidad y la dirección de los electrones dispersados por los átomos de oro. El cambio medido en la dispersión de electrones con y sin exposición al rayo láser (el láser excita los átomos, aumentando sus vibraciones) se muestra en la imagen superior. La dispersión es más fuerte en la matriz regular de puntos azul oscuro en la imagen asociada con la posición promedio de los átomos en su matriz cristalina. La región nebulosa o moteado, alrededor de un pico saturado fuerte (abajo a la derecha) se compara con un cálculo (abajo a la izquierda) de la dispersión difusa dependiente de la dirección relacionada con el movimiento térmico colectivo de los átomos. Estas mediciones son importantes para comprender los estados energéticos y el transporte térmico en los materiales, fundamental para muchas tecnologías, como dispositivos termoeléctricos. Crédito:Departamento de Energía de EE. UU.
Una nueva técnica ultrarrápida, utilizando electrones de alta energía acoplados a una bomba láser, reveló conocimientos sobre la dinámica vibratoria atómica en una fina película de oro calentada con láser. Esta técnica midió directamente el espectro de fonones (paquetes cuantificados de energía relacionados con las vibraciones de la red atómica) y exploró la transferencia de energía de los electrones excitados por láser a las vibraciones atómicas de la red atómica. Este trabajo demuestra que los instrumentos especializados de difracción de electrones ultrarrápidos pueden sumarse al conjunto de técnicas de sonda / bomba láser de resolución temporal capaces de explorar excitaciones en materiales.
La excitación ultrarrápida y la transferencia de energía a escala atómica son importantes en las transiciones de fase, reacciones químicas, y flujo de energía macroscópico. Los marcos de tiempo vibracionales relevantes ocurren en femtosegundos (mueva el punto decimal durante 1.0 segundo 15 veces hacia la izquierda). Esta investigación estableció la utilidad de esta técnica para resolver estados vibratorios cambiantes, cuya comprensión podría hacer avanzar una gama de aplicaciones desde la superconductividad hasta las transiciones de fase inducidas por láser.
Las interacciones de los electrones y los átomos en los que residen son importantes para una variedad de fenómenos, del transporte fundamental de electrones y espines, a las transiciones de fase inducidas por láser. La mayoría de las técnicas experimentales tienen una capacidad limitada para investigar las vibraciones atómicas (fonones) porque, como un termómetro, promedian todos los estados vibratorios del material. Ahora, la investigación dirigida por el Laboratorio Nacional de Aceleradores de SLAC ha medido directamente el rango de frecuencia completo y el comportamiento dependiente del tiempo de los fonones en una película delgada de oro calentada con láser. En la configuración experimental, Un electrodo emitió electrones de alta energía mediante un pulso láser ultrarrápido. Ambos pulsos, electrones y luz, continuó con la muestra. El pulso láser llegó primero y excitó los electrones residentes en el material dorado, que luego se probó dispersando el pulso de electrones subsiguiente en un detector. La técnica de bomba / sonda, que involucra la fuente de difracción de electrones ultrarrápida recientemente desarrollada, midió las posiciones de los átomos en función del tiempo controlado y variable entre la bomba y la sonda.
El análisis de las vibraciones atómicas ayuda a determinar cómo la energía luminosa, absorbido por primera vez por los electrones alrededor de los átomos, finalmente se transfiere al movimiento de los propios átomos. El análisis mostró tiempos de acoplamiento variables entre las excitaciones de electrones y fonones. Los resultados confirmaron que la energía se transfiere más rápidamente a vibraciones de frecuencia más alta que a fonones a frecuencias más bajas. Esta nueva herramienta se puede utilizar para comprender el transporte de energía en su menor longitud y escalas de tiempo y así avanzar en la comprensión de los fenómenos de los materiales donde la energía térmica es de importancia crítica. como en dispositivos superconductores y termoeléctricos.
