Des électrons de haute énergie couplés à un laser ont été utilisés pour sonder le mouvement atomique induit dans une fine couche d'or. Un détecteur bidimensionnel mesurait l'intensité et la direction des électrons diffusés par les atomes d'or. La variation mesurée de la diffusion des électrons avec et sans exposition au faisceau laser (le laser excite les atomes, augmentant leurs vibrations) est montré dans l'image du haut. La diffusion est la plus forte dans le réseau régulier de taches bleu foncé dans l'image associée à la position moyenne des atomes dans leur réseau cristallin. La région brumeuse, ou moucheté, autour d'un fort pic saturé (en bas à droite) est comparé à un calcul (en bas à gauche) de la diffusion diffuse dépendante de la direction liée au mouvement thermique collectif des atomes. De telles mesures sont importantes pour comprendre les états énergétiques et le transport thermique dans les matériaux - fondamentaux pour de nombreuses technologies, tels que les appareils thermoélectriques. Crédit :Département américain de l'Énergie
Une nouvelle technique ultrarapide, utilisant des électrons de haute énergie couplés à une pompe laser, a révélé des informations sur la dynamique vibrationnelle atomique dans un film mince d'or chauffé au laser. Cette technique mesurait directement le spectre des phonons (paquets quantifiés d'énergie liés aux vibrations du réseau atomique) et explorait le transfert d'énergie des électrons excités par laser aux vibrations atomiques du réseau atomique. Ce travail démontre que des instruments spécialisés de diffraction d'électrons ultra-rapides peuvent s'ajouter à la suite de techniques de pompe/sonde laser à résolution temporelle capables d'explorer les excitations dans les matériaux.
L'excitation ultrarapide et le transfert d'énergie à l'échelle atomique sont importants dans les transitions de phase, réactions chimiques, et le flux d'énergie macroscopique. Les intervalles de temps vibratoires pertinents se produisent en femtosecondes (déplacez la virgule décimale de 1,0 seconde 15 fois vers la gauche). Cette recherche a établi l'utilité de cette technique pour résoudre les changements d'états vibrationnels, dont la compréhension pourrait faire progresser une gamme d'applications allant de la supraconductivité aux transitions de phase induites par laser.
Les interactions des électrons et des atomes dans lesquels ils résident sont importantes pour une série de phénomènes, du transport fondamental des électrons et des spins, aux transitions de phase induites par laser. La plupart des techniques expérimentales sont limitées dans leur capacité à étudier les vibrations atomiques (phonons) car, comme un thermomètre, ils font la moyenne sur tous les états de vibration dans le matériau. Aujourd'hui, les recherches menées par le Laboratoire national des accélérateurs du SLAC ont mesuré directement toute la gamme de fréquences et le comportement dépendant du temps des phonons dans un film mince d'or chauffé au laser. Dans le montage expérimental, des électrons de haute énergie ont été émis à partir d'une électrode par une impulsion laser ultrarapide. Les deux impulsions, électrons et lumière, continué à l'échantillon. L'impulsion laser est arrivée en premier et a excité les électrons résidents dans le matériau d'or, qui a ensuite été sondé en diffusant l'impulsion d'électrons subséquente dans un détecteur. La technique pompe/sonde, impliquant la nouvelle source de diffraction d'électrons ultrarapide, mesuré les positions des atomes en fonction du temps contrôlé et variable entre la pompe et la sonde.
L'analyse des vibrations atomiques permet de déterminer comment l'énergie lumineuse, d'abord absorbé par les électrons autour des atomes, est finalement transféré au mouvement des atomes eux-mêmes. L'analyse a montré des temps de couplage variables entre les excitations des électrons et des phonons. Les résultats ont confirmé que l'énergie se transfère plus rapidement aux vibrations à haute fréquence qu'aux phonons à basse fréquence. Ce nouvel outil peut être utilisé pour comprendre le transport de l'énergie à ses échelles de durée et de temps les plus courtes et ainsi faire progresser la compréhension des phénomènes des matériaux où l'énergie thermique est d'une importance critique, comme dans les dispositifs supraconducteurs et thermoélectriques.
