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.