Una nueva técnica desarrollada por un equipo del MIT puede mapear la estructura de banda electrónica completa de los materiales en alta resolución. Esta capacidad suele ser exclusiva de las grandes instalaciones de sincrotrón, pero ahora está disponible como una configuración de mesa basada en láser en el MIT. Esta tecnica, que utiliza pulsos de láser ultravioleta extrema (XUV) para medir la dinámica de los electrones a través de la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES), se llama XUV ARPES resuelto en el tiempo.

A diferencia de la configuración basada en sincrotrón, Esta configuración basada en láser proporciona además una función de resolución temporal para observar los electrones dentro de un material de una manera muy rápida, escala de tiempo de femtosegundo (cuadrillonésimo de segundo). Comparando esta técnica rápida en una escala de tiempo y distancia, mientras que la luz puede viajar de la luna a la Tierra en aproximadamente un segundo, sólo puede viajar hasta el grosor de una sola hoja de papel de copia normal en un femtosegundo.

El equipo del MIT evaluó la resolución de su instrumento utilizando cuatro materiales ejemplares que representan un amplio espectro de materiales cuánticos:un semimetal de Weyl topológico, un superconductor de alta temperatura crítica, un semiconductor en capas, y un sistema de ondas de densidad de carga.

La técnica se describe en un artículo que aparece en la revista. Comunicaciones de la naturaleza , escrito por los físicos del MIT Edbert Jarvis Sie Ph.D. '17, ex postdoctorado Timm Rohwer, Changmin Lee Ph.D. '18, y el profesor de física del MIT Nuh Gedik.

Un objetivo central de la física moderna de la materia condensada es descubrir nuevas fases de la materia y ejercer control sobre sus propiedades cuánticas intrínsecas. Estos comportamientos se basan en la forma en que cambia la energía de los electrones en función de su impulso dentro de diferentes materiales. Esta relación se conoce como la estructura de banda electrónica de los materiales y se puede medir mediante espectroscopia de fotoemisión. Esta técnica utiliza luz con alta energía fotónica para alejar los electrones de la superficie del material, un proceso anteriormente conocido como efecto fotoeléctrico. por lo que Albert Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921. La velocidad y la dirección de los electrones salientes se pueden medir con una resolución de ángulo para determinar la relación de energía y momento dentro del material.

La interacción colectiva entre electrones en estos materiales a menudo va más allá de las predicciones de los libros de texto. Un método para estudiar estas interacciones no convencionales es promover los electrones a niveles de energía más altos y observar cómo se relajan de nuevo al estado fundamental. Esto se denomina método de "bomba y sonda", que básicamente es el mismo método que la gente usa en su vida diaria para percibir nuevos objetos a su alrededor. Por ejemplo, cualquiera puede dejar caer un guijarro en la superficie del agua y observar cómo se descomponen las ondas para observar la tensión superficial y la acústica del agua. La diferencia en la configuración del MIT es que los investigadores usan pulsos de luz infrarroja para "bombear" los electrones al estado excitado y los pulsos de luz XUV para "sondear" los electrones fotoemitidos después de un retraso de tiempo.

La espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo y tiempo (TRARPES) captura películas de la estructura de banda electrónica del sólido con una resolución de tiempo de femtosegundos. Esta técnica proporciona información invaluable sobre la dinámica de los electrones, lo cual es crucial para comprender las propiedades de los materiales. Sin embargo, Ha sido difícil acceder a electrones de alto momento con una resolución de energía estrecha a través de ARPES basado en láser, restringiendo severamente el tipo de fenómenos que se pueden estudiar con esta técnica.

La configuración XUV trARPES recientemente desarrollada en el MIT, que mide aproximadamente 10 pies de largo, puede generar una fuente de luz ultravioleta extrema de femtosegundos con una resolución de alta energía. "XUV será absorbido rápidamente por el aire, así que guardamos la óptica en el vacío, ", Dice Sie." Cada componente, desde la fuente de luz hasta la cámara de muestra, se proyecta en el dibujo de la computadora con una precisión milimétrica. "Esta técnica permite el acceso completo a la estructura de banda electrónica de todos los materiales con una resolución de energía sin precedentes en escalas de tiempo de femtosegundos". Para demostrar la resolución de nuestra configuración, no es suficiente medir la resolución de la fuente de luz por sí sola, "Sie dice." Debemos verificar las verdaderas resoluciones a partir de mediciones de fotoemisiones reales utilizando una amplia gama de materiales, ¡los resultados son muy satisfactorios! "

El ensamblaje final de la configuración del MIT comprende varios instrumentos emergentes que se están desarrollando simultáneamente en la industria:fuente de luz XUV de femtosegundos (XUUS) de KMLabs, Monocromador XUV (OP-XCT) de McPherson, y analizador de electrones de tiempo de vuelo con resolución de ángulo (ARToF) de Scienta Omicron. "Creemos que esta técnica tiene el potencial de ampliar los límites de la física de la materia condensada, "Gedik dice, "así que trabajamos con empresas relevantes para lograr esta capacidad de punta".

La configuración del MIT puede medir con precisión la energía de los electrones con momentos altos. "La combinación del analizador de electrones de tiempo de vuelo y la fuente de luz de femtosegundos XUV nos da la capacidad de medir la estructura de banda completa de casi todos los materiales, "Rohwer dice, "A diferencia de otras configuraciones, no tenemos que inclinar repetidamente la muestra para mapear la estructura de la banda, ¡y esto nos ahorra mucho tiempo! "

Otro avance significativo es la capacidad de cambiar la energía de los fotones. "La intensidad de la fotoemisión a menudo varía significativamente con la energía del fotón utilizada en el experimento. Esto se debe a que la sección transversal de la fotoemisión depende del carácter orbital de los elementos que forman el sólido, ", Dice Lee." La capacidad de sintonización de la energía de fotones proporcionada por nuestra configuración es extremadamente útil para mejorar los recuentos de fotoemisiones de bandas particulares que nos interesan ".

Patrick S. Kirchmann, científico del personal del Instituto de Ciencia de Materiales y Energía de Stanford, un experto en técnicas ARPES, dice, "Como practicante, creo que TRARPES es profundamente útil. Cualquier material cuántico, aislante topológico, o la cuestión de la superconductividad se beneficia de la comprensión de la estructura de la banda en el desequilibrio. La idea básica de trARPES es simple:al detectar el ángulo de emisión y la energía de los electrones fotoemitidos, podemos grabar la estructura de la banda electrónica. Hecho después de excitar la muestra con luz, podemos registrar cambios en la estructura de la banda que nos proporcionan 'películas de electrones, "que se filman a velocidades de cuadro de su escala de tiempo natural de femtosegundos".

Al comentar sobre los nuevos hallazgos del grupo de investigación Gedik en el MIT, Kirchmann dice:"El trabajo de Sie y Gedik establece un nuevo estándar al lograr un ancho de banda de 30 meV [milielectron-voltios] mientras se mantiene una resolución de tiempo de 200 femtosegundos. Al incorporar rejillas intercambiables en su configuración, también será posible cambiar esa partición del producto de ancho de banda de tiempo. Estos logros permitirán estudios de alta definición necesarios desde hace mucho tiempo de materiales cuánticos con una resolución de energía suficientemente alta para proporcionar conocimientos profundos ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.