Rejestracja zsynchronizowanego tańca elektronów w supermałych cząsteczkach
Nowe badania wspierane częściowo w ramach finansowanych ze środków Unii Europejskiej projektów SoftMeter i TOMATTO(odnośnik otworzy się w nowym oknie) pozwoliły na wizualizację tańca elektronów wzbudzonych ultraszybkimi impulsami światła wokół cząstki o średnicy poniżej nanometra. Zespołowi badawczemu udało się po raz pierwszy w historii dokonać pomiarów tego tańca elektronów z niezwykłą precyzją w tak małej skali. Rezultaty tych pomiarów stanowią źródło nowej wiedzy na temat natury zsynchronizowanego ruchu elektronów w układach o rozmiarach subnanometrowych i torują drogę do nowych osiągnięć w dziedzinie rozwiązań nanoplazmonicznych. Zsynchronizowany ruch elektronów, czyli rezonans plazmoniczny, jest w stanie zatrzymać światło na ułamki sekundy. Możliwość ta przełożyła się na rozwiązania wykorzystywane w wielu dziedzinach, począwszy od przetwarzania światła w energię chemiczną, a skończywszy na rozwoju światłoczułych gadżetów. Dotychczas pomiary rezonansu plazmonicznego w czasie rzeczywistym były możliwe tylko w układach o szerokości przekraczającej 10 nanometrów ze względu na ultraszybką skalę czasową, w której zachodzi rezonans. Dzięki rozwojowi technologii laserowej nastąpił jednak przełom w tej dziedzinie. Jak opisują naukowcy w swoim artykule(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opublikowanym na łamach czasopisma naukowego „Science Advances”, udało im się precyzyjnie zarejestrować zachowanie elektronów w buckminsterfullerenach - subnanometrowych cząsteczkach węgla o kształcie piłki nożnej, nazywanych także buckyballami. Zespół wykorzystał impulsy attosekundowe - niezwykle krótkie impulsy światła trwające miliardową część miliardowej części sekundy - w celu wyzwalania i pomiaru ruchu elektronów w cząsteczkach o średnicy 0,7 nanometra. Precyzyjnie odmierzali czas od momentu, w którym impulsy światła wzbudzały elektrony, do momentu emisji elektronów i uwolnienia nadmiaru energii z buckminsterfullerenów.
Równy taniec
Badacze stwierdzili, że każdy taki cykl trwał od 50 do 300 attosekund, a pomiary wykazały, że elektrony wykazywały silną koherencję i zgodną oscylację. „To przełomowe odkrycie pokazuje, że pomiary attosekundowe mogą stanowić cenne źródło wiedzy na temat rezonansów plazmonicznych w skali poniżej jednego nanometra”, zauważa Shubhadeep Biswas, główny autor badania i badacz Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka (Niemcy) oraz w SLAC National Accelerator Laboratory (Stany Zjednoczone), którego wypowiedź przytoczono w informacji prasowej opublikowanej przez SLAC(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Przełom ten umożliwia naukowcom pomiar całego nowego zakresu ultramałych cząstek. „Dzięki temu pomiarowi uzyskujemy wgląd w interakcję między koherencją elektronów a ograniczeniem światła w skali poniżej nanometra”, mówi Matthias Kling, współautor pracy, profesor Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka i dyrektor ośrodka Linac Coherent Light Source w ramach SLAC(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Projekt pokazuje możliwości technik attosekundowych i otwiera drzwi do nowatorskich podejść do manipulowania elektronami w przyszłej ultraszybkiej elektronice, która może działać z częstotliwością przekraczającą nawet milion razy możliwości obecnej technologii”. Współautorka projektu, Francesca Calegari, główna badaczka w instytucji Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, która była odpowiedzialna za koordynację projektu SoftMeter, wyjaśnia: „Te przełomowe badania otwierają nowe możliwości rozwoju ultrakompaktowych platform zapewniających wyjątkowe osiągi, w których interakcje światło-materia mogą być kontrolowane poprzez wykorzystanie efektów kwantowych występujących w nanoskali”. Projekt TOMATTO (The ultimate Time scale in Organic Molecular opto-electronics, the ATTOsecond) dobiegnie końca w 2027 roku. Prace w ramach projektu SoftMeter (Multi-messenger soft-field spectroscopy of molecular electronics at interfaces) zakończą się w 2028 roku. Więcej informacji: projekt SoftMeter strona projektu TOMATTO(odnośnik otworzy się w nowym oknie)
