Forskere fra Universitetet i Regensburg, Philipps-universitetet i Marburg og Forschungszentrum Jülich har utviklet en ny avbildningsmetode som kombinerer ultrakorte laserpulser med elektronmikroskopi. Metoden gjorde det mulig å følge elektronbevegelser i atomtynt grafen med attosekundpresisjon.

Teknikken utvider området i impulssonerommet som kan undersøkes med subsyklusoppløsning, med mer enn 100 ganger sammenlignet med tidligere metoder. Forsøkene viste samtidig hvordan spredning av elektroner forstyrrer den lysstyrte bevegelsen, og gir dermed ny kunnskap om grensene for svært rask kontroll av elektroner.

Elektroner kan passere en energisprekk

I faste stoffer befinner elektroner seg i bestemte energiområder, eller bånd. Mellom båndene kan det finnes energisprekker – områder der elektroner vanligvis ikke kan oppholde seg. Kvantemekanikken gjør det likevel mulig for elektroner å bevege seg fra ett bånd til et annet gjennom en tunnelovergang.

Sannsynligheten for en slik overgang avhenger av hvor raskt elektronet nærmer seg energisprekken. Forskerne identifiserte prosessen som en Landau–Zener–Majorana-overgang. Da beveger elektronene seg mellom energibånd uten å innta de forbudte energitilstandene som skiller båndene.

Målingene viste at elektronene under forsøksbetingelsene kunne krysse energisprekken med en tunnelovergangssannsynlighet på opptil 100 prosent. Resultatet viser at overganger mellom atskilte energitilstander kan bli svært sannsynlige når elektronene eksiteres tilstrekkelig raskt.

Brukte laserpulser og fotoemisjonsmikroskop

For å observere prosessen brukte forskergruppen ekstremt korte laserpulser og et fotoemisjonsmikroskop for impulsmålinger. I motsetning til et vanlig mikroskop, som forstørrer bilder av fysiske objekter, måler instrumentet elektronenergi og bevegelse for å kartlegge hvordan elektronene er fordelt i materialet.

Laserpulsene skapte sterke, raskt skiftende elektriske felt som akselererte elektronene gjennom grafenets elektroniske energistruktur. Førsteforfatter Vincent Eggers forklarte behovet for å følge mange elektroner samtidig:

«Hvis du vil vite hvem som har vunnet et kappløp, må du følge alle deltakerne. På samme måte må vi observere så mange elektroner som mulig samtidig for å oppdage dem som gjennomgår en kvantemekanisk overgang under bevegelsen.»

Forskerne brukte grafenprøver fremstilt av Forschungszentrum Jülich. Grafen består av ett lag karbonatomer ordnet i en sekskantet struktur. Materialets elektroniske egenskaper gjør det egnet til å undersøke hvordan elektroner reagerer på ytre elektriske felt.

Prøvene var spesielt rene, og inkluderte vridde grafenstrukturer som gjorde det enklere å observere kvantedynamikken. Stefan Tautz fra Forschungszentrum Jülich understreket betydningen av materialkvaliteten:

«Slike presise eksperimenter krever et materiale som er nesten feilfritt på atomnivå. Det sikrer at urenheter ikke skjuler den sårbare kvantedynamikken til elektronene.»

Kan brukes på andre kvantematerialer

Metoden gjorde det også mulig å undersøke hvordan samspillet mellom elektronene og krystallgitteret forstyrrer den opprinnelig samordnede bevegelsen. Kunnskap om denne prosessen kan bidra til å fastslå de fysiske grensene for å styre elektroner med raskt svingende lysfelt.

Lysstyring av elektroner undersøkes som en mulig vei mot elektronikk som kan fungere raskere enn enheter som bruker tradisjonell spenningsbasert svitsjing. Forskerne mener metoden også kan brukes til å studere andre kvantematerialer og gjøre det mulig å undersøke elektronisk oppførsel som hittil har vært vanskelig å observere direkte.

«Eksperimentet vårt åpner et panoramavindu mot kvanteverdenen. Nå kan vi følge hvordan elektroner beveger seg gjennom materialets energilandskap i sanntid. Og dette er bare begynnelsen», sa Giacomo Inzani fra Universitetet i Regensburg.