Schneller Marsch durch eine Graphenschicht | 2020

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Anonim

Elektronen, die von starken Laserpulsen getroffen werden, ändern ihre Position in ultrakurzen Zeitskalen, d. H. Innerhalb von einigen Attosekunden (1 as = 10)-18 sec). In Kooperation mit dem Zentrum für Nanooptik der Georgia State University in Atlanta (USA), Wissenschaftlern am Labor für Attosekundenphysik (LAP) des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) haben Prozesse simuliert, die stattfinden, wenn Elektronen in einer Schicht von Kohlenstoffatomen mit starkem Laserlicht interagieren. Ziel dieser Simulationen ist es, Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie im Mikrokosmos zu gewinnen. Ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse könnte zu einer lichtwellenbetriebenen Elektronik führen, die mit Lichtfrequenzen arbeitet, die hunderttausendmal schneller sind als die neuesten Technologien. Graphen mit seinen außergewöhnlichen Eigenschaften gilt als Beispielsystem für Prototypenversuche als sehr gut geeignet.

Je genauer wir die Bewegung von Elektronen beobachten, desto besser verstehen wir ihre Wechselwirkung mit Licht. Viele Phänomene, die in kondensierter Materie aufgrund der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie im Starkfeld auftreten, sind noch nicht vollständig verstanden. Da die zugrunde liegenden Prozesse innerhalb von Femto- oder sogar Attosekunden ablaufen, ist es schwierig, auf diesen Kosmos innerhalb von Atomen zuzugreifen: Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde; Eine Attosekunde ist sogar tausendmal kürzer. Experimentelle Methoden, die diese Herausforderung bewältigen sollen, befinden sich in einem Entwicklungsstadium. Es ist jedoch möglich, diese Prozesse mit Hilfe numerischer Simulationen zu untersuchen.

Das Team von Wissenschaftlern des LAP und der Georgia State University hat berechnet, was mit Elektronen in Graphen geschieht, die mit einem intensiven Laserpuls interagieren. Das Laserfeld regt Elektronen an und verdrängt sie, wodurch sich die Ladungsdichteverteilung ändert. Während dieses Prozesses wird ein extrem kurzer Elektronenpuls von der Sonde gestreut. Die Beugungskarte dieser Materiewellen spiegelt wider, wie sich die Elektronendichteverteilung innerhalb der Graphenschicht aufgrund des Laserpulses verändert hat.

Diese Simulationen haben komplexe Zusammenhänge zwischen der Anregung von Valenzelektronen durch Licht und ihrer anschließenden ultraschnellen Bewegung innerhalb und zwischen den Kohlenstoffatomen in der Graphenschicht aufgezeigt. Valenzelektronen sind schwach gebunden und werden von benachbarten Atomen gemeinsam genutzt. Die Wissenschaftler untersuchten ihre Bewegung, indem sie mikroskopische Volumina identifizierten, die verschiedene chemische Bindungen darstellen, und die in diesen Volumina enthaltene elektrische Ladung analysierten. Während eines Laserpulses kommt es zu einer deutlichen Umverteilung der Ladung; Gleichzeitig ist die durch das elektromagnetische Feld des Laserpulses verursachte Verschiebung der Elektronen sehr gering und beträgt weniger als ein Pikometer (10-12 m). Darüber hinaus zeigten die Berechnungen, dass der lichtinduzierte elektrische Strom eine inhomogene mikroskopische Verteilung aufweist, die entlang der chemischen Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen fließt.

Diese Simulationen sollten neue ultraschnelle Elektronenbeugungsmessungen unterstützen. "Wir werden möglicherweise neue Phänomene entdecken und Abweichungen von unseren Vorhersagen beobachten", betont Projektleiter Vladislav Yakovlev. "Wir sind uns jedoch ziemlich sicher, dass einige grundlegende physikalische Faktoren darauf warten, in herausfordernden, aber realisierbaren Messungen auf atomarer Ebene beobachtet zu werden."