Quantenmaterialien verfügen über eine Vielzahl exotischer elektronischer, magnetischer und optischer Eigenschaften, die sie zu erstklassigen Kandidaten für den Einsatz in zukünftigen Computer- und Energietechnologien machen. Ihre Eigenschaften entstehen durch ein komplexes Zusammenspiel ihrer Elektronen und Atomkerne. Forscher können diese Wechselwirkungen mit kurzen Röntgenpulsen oder Elektronenstrahlen beobachten. Diese Impulse dauern weniger als eine Billionstelsekunde.
Unter Verwendung neuer Materialien, die eine schmale Elektronensonde aussenden, haben Forscher eine ultraschnelle Elektronenstrahltechnik entwickelt, um kleine, dünne Quantenmaterialstücke mit sehr hoher Auflösung zu untersuchen.
Bisher können Wissenschaftler viele neu entstehende Quantenmaterialien nicht in Form großer Kristalle herstellen. Stattdessen bilden diese Materialien Kristalle, die nur ein Zehntel so breit sind wie ein menschliches Haar. Dies stellt eine Herausforderung für Forscher dar, die diese Materialien mit ultraschnellen Elektronenstrahlbeschleunigern untersuchen, da die Qualität der Elektronenstrahlen häufig begrenzt, wie klein der Bereich ist, auf den diese Strahlen fokussiert werden können.
In dieser Studie nutzten die Forscher eine spezielle Elektronenquelle, um die Qualität des Elektronenstrahls erheblich zu verbessern. Dies ermöglicht gestochen scharfe Bilder von Proben mit einer Breite von nur wenigen Mikrometern und von Prozessen, die in weniger als einer Billionstelsekunde ablaufen. Diese Arbeit könnte zu einem klareren Bild und Verständnis darüber führen, wie Quantenmaterialien auf atomarer Raum- und Zeitskala funktionieren.
Diese Beschleuniger erzeugen typischerweise ultraschnelle Elektronenimpulse über einen Prozess namens Photoemission, bei dem Laserlicht Elektronen aus einem Material herausschlägt, normalerweise einem einfachen Metall wie Kupfer. Wenn der Laserpuls von kurzer Dauer ist, ist auch der emittierte Elektronenstrahl kurz. Eine Herausforderung bei typischen Photoemissionsquellen besteht darin, dass sich die emittierten Elektronen nicht alle in die gleiche Richtung bewegen. Diese Streuung des Emissionswinkels kann letztendlich die Fähigkeit der Forscher einschränken, den Elektronenstrahl auf einen kleinen Punkt zu fokussieren.
In dieser Arbeit entwickelten die Forscher einen auf Photoemission basierenden Elektronenbeschleuniger mit einem fortschrittlichen, selbst angebauten Photoemissionsmaterial, das viele Elektronen mit einer viel geringeren Streuung des Emissionswinkels erzeugt. Mit dieser Quelle in Verbindung mit präziser Elektronenfokussierungsoptik führten die Forscher prinzipielle Beweisexperimente mit ultraschneller Elektronenbeugung durch, die die Fähigkeit zeigten, subtile atomare Details in Proben mit einer Größe von nur wenigen Mikrometern aufzulösen.
Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Strukturdynamik.
Mehr Informationen:
WH Li et al., Ein Kiloelektronenvolt-Mikrobeugungsgerät für ultraschnelle Elektronen unter Verwendung von Halbleiterfotokathoden mit niedriger Emission, Strukturdynamik (2022). DOI: 10.1063/4.0000138