Представлен упрощенный метод наблюдения за движением электронов в твердых телах

Сверхбыстрая динамика и взаимодействие электронов в молекулах и твердых телах долгое время оставались скрытыми от прямого наблюдения. Уже некоторое время стало возможным изучать эти квантово-физические процессы — например, в ходе химических реакций, преобразования солнечного света в электричество в солнечных батареях и элементарных процессов в квантовых компьютерах — в реальном времени с временным разрешением в несколько фемтосекунд (квадриллионных долей секунды) с помощью двумерной электронной спектроскопии (2DES).

Однако эта техника очень сложна. Следовательно, на сегодняшний день она использовалась лишь несколькими исследовательскими группами по всему миру. Теперь немецко-итальянская команда под руководством профессора доктора Кристофа Лиенау из Университета Ольденбурга нашла способ значительно упростить экспериментальную реализацию этой процедуры. «Мы надеемся, что 2DES превратится из методологии для экспертов в инструмент, который можно будет широко использовать», — объясняет Лиенау.

Два аспиранта из исследовательской группы Lienau’s Ultrafast Nano-Optics, Даниэль Тиммер и Даниэль Люнеманн, сыграли ключевую роль в открытии нового метода. Команда уже опубликовала статью в Optica , описывающую процедуру.

В 2DES последовательность из трёх ультракоротких лазерных импульсов используется для возбуждения исследуемого материала. Первые два импульса должны быть идентичными копиями и служить для запуска исследуемого процесса в материале, например, для возбуждения электронов в полупроводнике или красителе, заставляя их переходить в более высокое энергетическое состояние. Это изменяет оптические свойства материала. Третий лазерный импульс, известный как «зондирующий импульс», взаимодействует с возбужденной системой, преобразуется в процессе и таким образом предоставляет информацию о состоянии системы.

Изменяя временные интервалы между тремя импульсами, можно получить различные наборы информации об исследуемой системе. Когда интервал между двумя возбуждающими импульсами и зондирующим импульсом изменяется, процесс может быть записан на разных стадиях, так что временная последовательность становится видимой — как если бы вы смотрели фильм.

Интервал между двумя возбуждающими импульсами также может изменяться. Это позволяет нам избирательно возбуждать определенные оптические переходы в материале, что является ключевым для изучения особо сложных процессов, таких как перенос энергии во время фотосинтеза. «Экспериментальная реализация метода 2DES очень сложна», — подчеркивает Лиенау. Основная проблема — точный контроль временного интервала между первыми двумя идентичными лазерными импульсами, а также их формы, поясняет он.

В своём новом исследовании Лиенау и его команда описывают потенциальное решение проблемы. Подход, разработанный докторантами Ольденбурга Даниэлем Тиммером и Даниэлем Люнеманом, основан на методе TWINS, который был представлен несколько лет назад итальянским физиком-профессором Джулио Черулло из Миланского политехнического университета.

Серулло, который также является соавтором текущего исследования, разработал устройство, называемое интерферометром, которое использует двулучепреломляющие кристаллы для создания двух идентичных копий входного импульса. Затем они используются для возбуждения исследуемого материала. Хотя этот метод значительно проще в реализации, чем другие решения для генерации импульсов, он имеет определенные ограничения.

«Эта процедура пока не смогла достичь полной функциональности многомерного электронного спектрометра», — говорит Лиенау. Эксперты в этой области предполагали, что разработанная Серулло методика не сможет достичь такого уровня функциональности, добавляет он.

Однако Тиммер и Люнеманн придумали идею добавить оптический компонент к интерферометру Черулло, так называемую пластину задержки в четверть волны, которая задерживает любой проходящий через неё световой сигнал на заранее определенную долю длины волны. Благодаря этому относительно простому расширению процедуры два исследователя смогли контролировать два лазерных импульса гораздо точнее, чем с помощью оригинального интерферометра TWINS.

Исследователи реализовали свою идею в экспериментах и ​​продемонстрировали расширенные возможности этого метода, используя его для исследования динамики заряда в органическом красителе. Команда также предоставила теоретическое объяснение нового метода. Тиммер, Люнеманн и Лиенау теперь получили патент на расширенную процедуру интерферометрии.

Контакты, администрация и авторы