Stichting FOM
3 mei 2011, 2011/12
Elektronen pingpongen op nanoschaal
De onderzoekers, waaronder wetenschappers van het Max Planck Institute
of Quantum Optics en het FOM-instituut AMOLF, hebben de experimenten en
onderliggende theoretische modellen vorige week gepubliceerd in Nature
Physics. Het werk kan leiden tot de ontwikkeling van ultrasnelle
nano-elektronica, gestuurd met licht. Deze systemen zouden tot een
miljoen maal sneller kunnen werken dan de huidige elektronica.
Figuur 1. Versnellingsmechanisme van de elektronen dicht bij de
nanobolletjes van siliciumdioxide
vergroten Figuur 1. Versnellingsmechanisme van de elektronen dicht bij
de nanobolletjes van siliciumdioxide
Elektronen (groen) worden vrijgemaakt door het laserveld (rood). Deze
elektronen worden eerst weg van het oppervlak van het deeltje versneld,
en worden dan door het laserveld teruggebracht naar het oppervlak. Na
een elastische botsing met het oppervlak worden ze nogmaals versneld en
bereiken dan bijzonder hoge kinetische energieën. Deze afbeelding toont
drie stappen van de versnelling (van links naar rechts): 1) de
elektronen worden gestopt en terug naar het oppervlak gestuurd, 2) bij
het bereiken van het oppervlak botsen ze elastisch terug, 3) de
elektronen worden weg van het deeltjesoppervlak versneld en bereiken
hoge kinetische energieën.
Credits: Christian Hackenberger/LMU
Figuur 2. Versterkte elektrische velden bij de polen van een
nanobolletje van siliciumdioxide
vergroten Figuur 2. Versterkte elektrische velden bij de polen van een
nanobolletje van siliciumdioxide
Het plaatselijke veld op de poolas is uitgezet als een functie van
tijd. De tijdas van de golf met slechts enkele periodes loopt van
rechtsonder naar linksboven. Het veld heeft een sterke asymmetrie langs
de polarisatie-as van de laser. Door deze asymmetrie bereiken de
elektronen aan de ene kant van de nanodeeltjes hogere energieën dan die
aan de andere kant. In dit voorbeeld worden de elektronen met de
hoogste energie uitgestraald aan de achterkant, waar het sterkste
piekveld wordt bereikt. Hiermee bepalen de onderzoekers de energieën
van de elektronen en de richtingen waarin ze worden uitgezonden.
Credits: Christian Hackenberger/LMU
Bij de interactie tussen krachtig laserlicht en elektronen in
nanodeeltjes kunnen de elektronen losraken en sterk worden versneld. De
nanobolletjes bestaan ieder uit miljoenen afzonderlijke atomen. De
onderzoekers beschrijven hoe sterke elektrische velden opgebouwd worden
in de buurt van de nanodeeltjes en daaruit elektronen losmaken. De
elektrische velden versnellen de losgemaakte elektronen. Hierbij worden
bestaande grenzen van de versnelling van afzonderlijke atomen ver
overschreden. De beweging van de elektronen kan nauwkeurig worden
beheerst met het elektrische veld van het laserlicht. De nieuwe
inzichten verkregen met dit lichtgestuurde proces kunnen worden
toegepast bij het opwekken van extreme ultraviolette (EUV) straling met
een hoge energie.
Referentie
Controlled near-field enhanced electron acceleration from dielectric
nanospheres with intense few-cycle laser fields, Nature Physics, 24
April, doi: 10.1038/NPHYS1983.
Contact
Marc Vrakking, groepsleider AMOLF/MBI, m.vrakking@amolf.nl &
marc.vrakking@mbi-berlin.de
Erny Lammers, voorlichter AMOLF, e.lammers@amolf.nl, (020) 754 74 08.
Het onderzoek in meer detail
Pingpong
De versnelling van elektronen in een laserveld is vergelijkbaar met een
korte rally in een pingpongwedstrijd: een serve, een return, en een
smash waarmee een punt wordt gescoord. Er gebeurt iets dergelijks als
elektronen in nanodeeltjes worden geraakt door lichtpulsen. De
onderzoekers zijn er nu in geslaagd het gehele proces te besturen. De
onderzoekers beschenen siliciumdioxide nanodeeltjes met een doorsnede
van ongeveer honderd nanometer met bijzonder sterke lichtpulsen met een
lengte van ongeveer vijf femtoseconden (een femtoseconde is een
miljoenste van een miljardste van een seconde). Dergelijke korte
laserpulsen bestaan uit maar enkele golfbewegingen. De nanodeeltjes
bevatten elk ongeveer vijftig miljoen atomen. De elektronen worden in
een fractie van een femtoseconde geïoniseerd en versneld door het
elektrische veld van de rest van de laserimpuls. Nadat ze een afstand
van minder dan een nanometer tot het oppervlak van het nanobolletje
hebben bereikt, stuurt het laserveld sommige elektronen terug naar het
oppervlak, waar ze dan weer worden teruggekaatst (zoals een pingpongbal
die wordt geslagen). Dit kan leiden tot een grote toename van de
energie van de elektronen. In het experiment werden elektronenergieën
van ongeveer zestig maal de energie van een laserfoton met een
golflengte van zevenhonderd nanometer (in het rode deel van het
lichtspectrum) bereikt. Dit is de eerste keer dat onderzoekers directe
elastische botsingen in een nanosysteem in detail konden observeren en
vastleggen.
EUV
De versnelde elektronen verlieten de atomen in verschillende richtingen
en met verschillende energieën. De onderzoekers legden de banen vast in
een driedimensionaal beeld. Ze gebruikten dit om de energie en
uitstootrichting van de elektronen te bepalen. De elektronen werden
niet alleen versneld door het elektrisch veld dat door de laser werd
veroorzaakt (en dat al sterker was dan het laserveld) maar ook door de
interactie met andere elektronen die uit de nanodeeltjes vrijkwamen.
Verder speelde de positieve lading van het oppervlak van de
nanodeeltjes een rol. Aangezien al deze bijdragen samenkomen, kunnen de
elektronen een bijzonder hoge energie bereiken.
De beweging van de elektronen kan verder leiden tot uitzending van
pulsen van EUV-licht, als de elektronen die het oppervlak raken niet
terugkaatsen, maar worden geabsorbeerd en fotonen vrijmaken met een
golflengtes in het EUV. EUV-straling is van groot belang voor
biologisch en medisch onderzoek. De resultaten van dit onderzoek geven
aan dat de recombinatie van elektronen in de nanodeeltjes kan leiden
tot fotonen met een energie die tot zevenmaal hoger is dan tot nu
waargenomen bij afzonderlijke atomen. De aanwijzingen dat nanodeeltjes
kunnen worden gebruikt voor de gemeenschappelijke versnelling van
elektronen biedt veelbelovende toekomstige toepassingen, zoals
lichtgestuurde extreem snelle elektronica, die mogelijk tot een miljoen
maal sneller is dan conventionele elektronica.