Edbert Jarvis Sie (à droite) et Timm Rohwer du groupe de recherche Gedik présentent la chambre de diagnostic à partir de leur configuration XUV ARPES à résolution temporelle. Les chercheurs du MIT ont travaillé avec des fabricants d'équipements scientifiques de pointe pour compléter leur configuration et repousser les limites de la physique de la matière condensée. Crédit :Ilkem Ozge Ozel
Une nouvelle technique développée par une équipe du MIT permet de cartographier la structure de bande électronique complète des matériaux à haute résolution. Cette capacité est généralement exclusive aux grandes installations de synchrotron, mais maintenant, il est disponible en tant que configuration laser de table au MIT. Cette technique, qui utilise des impulsions laser ultraviolettes extrêmes (XUV) pour mesurer la dynamique des électrons via la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES), est appelé ARPES XUV résolu en temps.
Contrairement à la configuration basée sur le synchrotron, cette configuration à base de laser fournit en outre une fonction résolue en temps pour regarder les électrons à l'intérieur d'un matériau très rapidement, échelle de temps femtoseconde (quadrillionième de seconde). En comparant cette technique rapide sur une échelle de temps et de distance, alors que la lumière peut voyager de la Lune à la Terre en une seconde environ, il ne peut parcourir que l'épaisseur d'une seule feuille de papier de copie ordinaire en une femtoseconde.
L'équipe du MIT a évalué la résolution de leur instrument à l'aide de quatre matériaux exemplaires représentant un large spectre de matériaux quantiques :un semi-métal topologique de Weyl, un supraconducteur à haute température critique, un semi-conducteur en couches, et un système d'onde de densité de charge.
La technique est décrite dans un article paru dans la revue Communication Nature , rédigé par les physiciens du MIT Edbert Jarvis Sie Ph.D. '17, ancien post-doctorant Timm Rohwer, Ph.D. Changmin Lee '18, et le professeur de physique du MIT Nuh Gedik.
Un objectif central de la physique moderne de la matière condensée est de découvrir de nouvelles phases de la matière et d'exercer un contrôle sur leurs propriétés quantiques intrinsèques. De tels comportements sont enracinés dans la façon dont l'énergie des électrons change en fonction de leur quantité de mouvement à l'intérieur de différents matériaux. Cette relation est connue sous le nom de structure de bande électronique des matériaux et peut être mesurée en utilisant la spectroscopie de photoémission. Cette technique utilise une lumière avec une énergie photonique élevée pour éloigner les électrons de la surface du matériau - un processus anciennement connu sous le nom d'effet photoélectrique, pour lequel Albert Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921. La vitesse et la direction des électrons sortants peuvent être mesurées d'une manière résolue en angle pour déterminer la relation entre l'énergie et la quantité de mouvement à l'intérieur du matériau.
L'interaction collective entre les électrons dans ces matériaux va souvent au-delà des prédictions des manuels. Une méthode pour étudier de telles interactions non conventionnelles consiste à promouvoir les électrons à des niveaux d'énergie plus élevés et à observer comment ils se détendent jusqu'à l'état fondamental. C'est ce qu'on appelle une méthode "pompe et sonde", qui est essentiellement la même méthode que les gens utilisent dans leur vie quotidienne pour percevoir de nouveaux objets autour d'eux. Par exemple, n'importe qui peut laisser tomber un caillou à la surface de l'eau et observer la dégradation des ondulations pour observer la tension superficielle et l'acoustique de l'eau. La différence dans la configuration du MIT est que les chercheurs utilisent des impulsions lumineuses infrarouges pour "pomper" les électrons à l'état excité et les impulsions lumineuses XUV pour "sonder" les électrons photoémis après un certain temps.
Configuration XUV ARPES à résolution temporelle développée par des chercheurs du groupe de recherche du professeur Nuh Gedik au MIT. Les chercheurs utilisent des impulsions lumineuses infrarouges pour « pomper » les électrons à l'état excité et des impulsions lumineuses XUV (ultraviolet extrême) pour « sonder » les électrons photoémis après un certain temps. Leur nouvelle technique permet un accès complet à la structure de bande électronique de tous les matériaux, avec une résolution énergétique sans précédent sur des échelles de temps femtosecondes. Crédit :Edbert Jarvis Sie/Nature Communications
La spectroscopie de photoémission à résolution temporelle et angulaire (trARPES) capture des films de la structure de bande électronique du solide avec une résolution temporelle femtoseconde. Cette technique fournit des informations précieuses sur la dynamique des électrons, ce qui est crucial pour comprendre les propriétés des matériaux. Cependant, il a été difficile d'accéder à des électrons à haute impulsion avec une résolution énergétique étroite via ARPES à base de laser, limitant fortement le type de phénomènes pouvant être étudiés avec cette technique.
La nouvelle configuration XUV trARPES au MIT, qui mesure environ 10 pieds de long, peut générer une source de lumière ultraviolette extrême femtoseconde à haute résolution énergétique. "Le XUV sera rapidement absorbé par l'air, donc on loge l'optique sous vide, " dit Sie. " Chaque composant de la source lumineuse à la chambre d'échantillon est projeté sur l'ordinateur avec une précision millimétrique. Pour démontrer la résolution de notre configuration, il ne suffit pas de mesurer la résolution de la source lumineuse seule, " dit Sie. " Nous devons vérifier les vraies résolutions à partir de mesures de photoémission réelles en utilisant une large gamme de matériaux - les résultats sont très satisfaisants ! "
L'assemblage final de la configuration du MIT comprend plusieurs instruments émergents qui sont développés simultanément dans l'industrie :une source de lumière femtoseconde XUV (XUUS) de KMLabs, Monochromateur XUV (OP-XCT) de McPherson, et l'analyseur d'électrons à temps de vol à résolution angulaire (ARToF) de Scienta Omicron. "Nous pensons que cette technique a le potentiel de repousser les limites de la physique de la matière condensée, " Gedik dit, « nous avons donc travaillé avec les entreprises concernées pour atteindre cette capacité de pointe. »
La configuration du MIT peut mesurer avec précision l'énergie des électrons avec une impulsion élevée. « La combinaison d'un analyseur d'électrons à temps de vol et d'une source de lumière femtoseconde XUV nous permet de mesurer la structure de bande complète de presque tous les matériaux, " Rohwer dit, "Contrairement à d'autres configurations, nous n'avons pas à incliner l'échantillon à plusieurs reprises pour mapper la structure de la bande, et cela nous fait gagner beaucoup de temps !"
Une autre avancée significative est la possibilité de modifier l'énergie des photons. "L'intensité de la photoémission varie souvent de manière significative avec l'énergie photonique utilisée dans l'expérience. En effet, la section efficace de la photoémission dépend du caractère orbital des éléments formant le solide, " Lee dit. " L'accordabilité de l'énergie des photons fournie par notre configuration est extrêmement utile pour améliorer le nombre de photoémissions de bandes particulières qui nous intéressent. "
Scientifique du Stanford Institute for Materials and Energy Science Patrick S. Kirchmann, un expert des techniques ARPES, dit, "En tant que praticien, je crois que trARPES est profondément utile. Tout matériau quantique, isolant topologique, ou la question de la supraconductivité profite de la compréhension de la structure de bande en non-équilibre. L'idée de base de trARPES est simple :en détectant l'angle d'émission et l'énergie des électrons photoémis, nous pouvons enregistrer la structure de la bande électronique. Fait après avoir excité l'échantillon avec de la lumière, nous pouvons enregistrer des changements de la structure de la bande qui nous fournissent des "films électroniques, " qui sont filmés à des fréquences d'images de leur échelle de temps femtoseconde naturelle."
Commentant les nouvelles découvertes du groupe de recherche Gedik au MIT, Kirchmann dit, "Le travail de Sie et Gedik établit une nouvelle norme en atteignant une bande passante de 30 meV [milli-électron-volt] tout en maintenant une résolution temporelle de 200 femtosecondes. En incorporant des réseaux échangeables dans leur configuration, il sera également possible de modifier ce partitionnement du produit temps-bande. Ces réalisations permettront des études haute définition nécessaires depuis longtemps sur les matériaux quantiques avec une résolution en énergie suffisamment élevée pour fournir des informations approfondies. »
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
