Lazer darbeleri katmanlı metalleri saniyede 1 trilyon kez titreştirerek elektron güdümlü hareketi ortaya çıkarır

Işık bir metalin içinde nasıl harekete dönüşür? Avrupa XFEL, Potsdam Üniversitesi ve diğer katılımcı kurumlardan oluşan bir araştırmacı ekibi, ultra kısa optik lazer darbelerinin periyodik olarak katmanlı metal yapılarda son derece hızlı kafes titreşimlerini tetikleyebildiğini gösterdi; öncelikle atomik kafesin ısıtılması yoluyla değil, aynı zamanda sıcak elektronların uyguladığı basınç yoluyla. Sonuçlar şurada yayınlanır: Doğa İletişimi.

Araştırmada, yalnızca birkaç nanometre (milimetrenin milyonda biri) kalınlığındaki platin ve bakır katmanları yapay bir metal kafes oluşturacak şekilde istiflendi. Yapay kristal kafes, bir lazer darbesiyle uyarıldıktan sonra yaklaşık bir terahertz’de salınmaya başladı: Platin nano katmanları, saniyede yaklaşık bir trilyon kez bir hızla genişliyor ve bakır katmanlarını sıkıştırıyor. Hemen başlayan salınım, elektronlardan ısı transferi yoluyla geleneksel kafes ısıtmasıyla açıklanamayacak kadar hızlıdır.

Avrupa XFEL’den Jan-Etienne Pudell “Bu bizi şaşırttı” diyor. “Salınım, ısıtılmış kafesin basıncından değil, özellikle platin katmanlarındaki elektron basıncından kaynaklanıyor.”

Potsdam Üniversitesi İşbirlikçi Araştırma Merkezi (SFB) 1636 Nano Ölçekli Metallerde Işıkla Çalışan Reaksiyonların Temel Süreçleri sözcüsü Matias Bargheer, “Burada sadece bir metalin ısındığını ve genişlediğini görmüyoruz” diyor.

“Elektronların kendilerinin saniyenin trilyonda birinden daha kısa bir sürede basınç uyguladığını ve bir bakıma metalin yüzeyine içeriden darbe indirdiğini görüyoruz. Bu, nanometrelik ince metal katmanların kimyası için son derece heyecan verici çünkü sıcak elektronlar, ısı, atom hareketleri ve kimyasal reaksiyonlara kadar tüm sorulara yeni bir ışık tutuyor.”

Katmanlar nasıl izlendi?

Sonuçlar aynı zamanda bu tür süreçlerin malzeme ve katman kalınlığı seçimine göre özelleştirilebileceğini de göstermektedir.

Uluslararası ekip, ölçümleri için Avrupa XFEL’deki MID (Malzeme Görüntüleme ve Dinamik) cihazını kullandı. Platin-bakır kafes, 10 mertebesinde çok kısa lazer darbeleri kullanılarak uyarıldı.^-15 saniye (saniyenin trilyonda biri) kadar kısa bir sürede elde edilir ve eşit derecede kısa yüksek enerjili X-ışını darbeleri kullanılarak incelenir. X-ışını darbeleri, malzeme içindeki derin yapısal değişiklikleri doğrudan çözebilir.

Böylece deney, hem malzemeye hem de derinliğe duyarlı bilgiler sağlayarak farklı metal katmanların lazer uyarımı sonrasında nasıl değiştiğini ortaya koyuyor.

“MID cihazı tam olarak şu gibi soruları yanıtlamak için tasarlandı: Işıkla dengeden çıkarıldıklarında karmaşık malzemelerdeki atomlar ve elektronlar nasıl hareket eder?” diyor Pudell. “Burada sadece terahertz salınımının ortaya çıkışını gözlemlemekle kalmadık, aynı zamanda onu yönlendiren fiziği de belirledik.”

Sonuçlar özellikle CRC/SFB 1636 ile ilgilidir çünkü platindeki sıcak elektronların basıncı yüzeydeki ve metaller arasındaki arayüzlerdeki yansımadan kaynaklanmaktadır. Basınç, enerjinin yüzeye bağlı moleküllere aktarılabileceği platin katmanın yüzeyine çarpan elektronların bir ölçüsüdür.

Bargheer, “Bu, plazmonik kimya, yüksek enerjili elektronların dinamiği, ısı akışı ve ultra hızlı yapısal değişiklikler arasında yeni bir deneysel ve kavramsal bağlantı yaratıyor” diye açıklıyor.